JP6575947B2 - 可変界磁回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、可変界磁回転電機に関するものである。

一般に回転電機の場合、磁石鎖交磁束を大きくして低回転時のトルク密度を増大させた場合、高回転時に鉄損や弱め界磁銅損が増大する。一方、使用状況に応じた適切な回転電機特性（トルクや出力等）が得られるように界磁を調整できる可変界磁回転電機が知られている。例えば、可変界磁回転電機として、ワイヤ式牽引装置でステータをロータに対して軸方向に引き抜くことにより、磁石鎖交磁束を低減させて鉄損を低く抑えることができるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−５７２０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の可変界磁回転電機は、界磁を調整するために、ステータを軸方向に引き抜くワイヤ式牽引装置を備えている。ワイヤ式牽引装置は比較的大きな部材である。このため、可変界磁回転電機の重量やコストが増し、さらに、可変界磁回転電機が大型になることが考えられる。

そこで本発明は、回転電機特性を調整でき、重量やコストの増加を抑え、さらに大型化を抑えることができる可変界磁回転電機を提供するものである。

本発明の可変界磁回転電機（例えば、実施形態における回転電機１）は、所定軸線（例えば、実施形態における軸線Ｏ）回りに回転可能に設けられたロータコア（例えば、実施形態におけるロータコア２１，１２１，２２１）と、前記ロータコアに装着された複数の永久磁石（例えば、実施形態における永久磁石２５，１２５，２２５）と、を有するロータ（例えば、実施形態におけるロータ２０，１２０，２２０）を備え、前記ロータコアには、前記所定軸線の軸線方向に沿って延びるスロット（例えば、実施形態における収納スロット２９，１２９，２２９）と、前記スロット内に配置され、前記軸線方向に沿って移動可能な可動鉄心（例えば、実施形態における可動鉄心３１，１３１，２３１）と、が形成され、前記ロータコアの回転に伴う遠心力により、前記可動鉄心を所定位置から前記軸線方向に沿って移動させて、前記スロット内に磁気的空間部を形成する可動鉄心移動機構（例えば、実施形態における可動鉄心移動機構５０，１５０）と、前記ロータ、前記可動鉄心移動機構および冷媒を収容するハウジング（例えば、実施形態におけるハウジング２）と、をさらに備え、前記複数の永久磁石は、前記ロータコアの周方向に沿って間隔をあけて前記ロータコアに埋設され、前記可動鉄心は、前記周方向で隣り合うとともに極性の異なる一対の前記永久磁石間に配置され、かつ前記ロータコアから突出可能に形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、ロータコアの回転に伴ってロータコアのスロット内に磁気的空間部が形成されるので、ロータコアの磁気特性をロータの回転数に応じて変化させることができる。このため、遠心力により回転電機特性を調整でき、従来技術のようにワイヤ式牽引装置を備えた構成と比較して、重量やコストの増加を抑え、さらに大型化を抑えることができる可変界磁回転電機を提供することができる。

また、磁気的空間部がｑ軸上に形成される。ｑ軸上に磁気的空間部が形成されると、磁気抵抗が高くなり、ｑ軸インダクタンスが減少する。このため、高回転域において誘起電圧がインバータの耐電圧に達した際に、ｑ軸インダクタンスが減少することでｑ軸電流の減少を抑制することができる。これにより、可変界磁回転電機のトルクの減少が抑制されるので、可変界磁回転電機の出力の低下を抑制することができる。

上記の可変界磁回転電機において、前記可動鉄心移動機構は、前記ロータコアとともに前記所定軸線回りに回転可能、かつ前記ロータコアの径方向に沿って移動可能に設けられた転動部材（例えば、実施形態における転動部材５７）と、前記転動部材の前記径方向の外側への移動に連動して前記軸線方向に沿って移動し、前記可動鉄心を移動させる鉄心連結部材（例えば、実施形態における鉄心連結部材６５）と、前記転動部材を前記径方向の内側に向かって付勢し、前記可動鉄心を前記所定位置に向けて移動させる付勢部材（例えば、実施形態における付勢部材６７）と、を備える、ことが望ましい。

本発明では、ロータコアが回転すると、転動部材も回転して、遠心力により転動部材が径方向の外側に向かって移動する。鉄心連結部材は、転動部材が遠心力により径方向の外側に向かって移動すると、転動部材の移動に連動して可動鉄心を軸線方向に沿って移動させる。付勢部材は、転動部材を径方向の内側に向かって付勢し、可動鉄心を所定位置に向けて移動させるので、転動部材に作用する遠心力が小さくなると、転動部材を遠心力に抗して径方向の内側に向かって移動させるとともに、可動鉄心を所定位置に向けて移動させる。以上により、ロータの回転数に応じて可動鉄心を所定位置から軸線方向に沿って移動させることが可能な可動鉄心移動機構を形成することができ、上述した作用効果を奏する可変界磁回転電機を提供できる。

上記の可変界磁回転電機において、前記鉄心連結部材は、非磁性材料により形成されている、ことが望ましい。

本発明によれば、鉄心連結部材が可動鉄心を所定位置から軸線方向に沿って移動させてスロット内に磁気的空間部を形成する際に、非磁性材料により形成された鉄心連結部材をスロット内に入り込ませることができる。このため、鉄心連結部材が磁性材料により形成された場合と比較して、スロット内に磁気的空間部をより大きく形成でき、ロータコアの磁気特性をより大きく変化させることが可能となる。

本発明の可変界磁回転電機（例えば、実施形態における回転電機１）は、所定軸線（例えば、実施形態における軸線Ｏ）回りに回転可能に設けられたロータコア（例えば、実施形態におけるロータコア２１，１２１，２２１）と、前記ロータコアに装着された複数の永久磁石（例えば、実施形態における永久磁石２５，１２５，２２５）と、を有するロータ（例えば、実施形態におけるロータ２０，１２０，２２０）を備え、前記ロータコアには、前記所定軸線の軸線方向に沿って延びるスロット（例えば、実施形態における収納スロット２９，１２９，２２９）と、前記スロット内に配置され、前記軸線方向に沿って移動可能な可動鉄心（例えば、実施形態における可動鉄心３１，１３１，２３１）と、が形成され、前記ロータコアの回転に伴う遠心力により、前記可動鉄心を所定位置から前記軸線方向に沿って移動させて、前記スロット内に磁気的空間部を形成する可動鉄心移動機構（例えば、実施形態における可動鉄心移動機構５０，１５０）をさらに備え、前記可動鉄心移動機構は、前記軸線方向に沿って移動可能に設けられ、前記可動鉄心を前記軸線方向に沿って移動させる第１ピストン（例えば、実施形態における第１ピストン１５１）と、前記ロータコアとともに前記所定軸線回りに回転可能、かつ前記ロータコアの径方向に沿って移動可能に設けられた第２ピストン（例えば、実施形態における第２ピストン１５３）と、内部に作動油（例えば、実施形態における作動油Ｆ）が充填され、前記第１ピストンを前記軸線方向に沿って移動可能に支持するとともに、前記第２ピストンを前記径方向に沿って移動可能に支持するシリンダ（例えば、実施形態におけるシリンダ１５５）と、前記第２ピストンを前記径方向の内側に向かって付勢し、前記可動鉄心を前記所定位置に向けて移動させる付勢部材（例えば、実施形態における付勢部材１６１）と、を備える油圧システムである、ことを特徴とする。

本発明では、ロータコアが回転すると、第２ピストンも回転して、遠心力により径方向の外側に向かって移動する。第１ピストンおよび第２ピストンは、シリンダに移動可能に支持されているので、第２ピストンが移動すると、第１ピストンも軸線方向に沿って移動する。これにより、第１ピストンは、可動鉄心を軸線方向に沿って移動させる。付勢部材は、第２ピストンを径方向の内側に向かって付勢し、可動鉄心を所定位置に向けて移動させるので、第２ピストンに作用する遠心力が小さくなると、第２ピストンを遠心力に抗して径方向の内側に向かって移動させるとともに、可動鉄心を所定位置に向けて移動させる。以上により、ロータの回転数に応じて可動鉄心を所定位置から軸線方向に移動させることが可能な可動鉄心移動機構を形成することができ、上述した作用効果を奏する可変界磁回転電機を提供できる。
上記の可変界磁回転電機において、前記複数の永久磁石は、前記ロータコアの周方向に沿って間隔をあけて前記ロータコアに埋設され、前記可動鉄心は、前記周方向で隣り合うとともに極性の異なる一対の前記永久磁石間に配置されている、ことが望ましい。
本発明によれば、磁気的空間部がｑ軸上に形成される。ｑ軸上に磁気的空間部が形成されると、磁気抵抗が高くなり、ｑ軸インダクタンスが減少する。このため、高回転域において誘起電圧がインバータの耐電圧に達した際に、ｑ軸インダクタンスが減少することでｑ軸電流の減少を抑制することができる。これにより、可変界磁回転電機のトルクの減少が抑制されるので、可変界磁回転電機の出力の低下を抑制することができる。

上記の可変界磁回転電機において、前記第１ピストンは、非磁性材料により形成されている、ことが望ましい。

本発明によれば、第１ピストンが可動鉄心を所定位置から軸線方向に沿って移動させてスロット内に磁気的空間部を形成する際に、非磁性材料により形成された第１ピストンをスロット内に入り込ませることができる。このため、第１ピストンが磁性材料により形成された場合と比較して、スロット内に磁気的空間部をより大きく形成でき、ロータコアの磁気特性をより大きく変化させることが可能となる。

上記の可変界磁回転電機において、前記可動鉄心移動機構は、前記ロータの回転数が所定回転数を超えた場合に前記可動鉄心を前記所定位置から移動させる、ことが望ましい。

本発明によれば、ロータの回転数が所定回転数以下の状態で、ロータコアの磁気特性が変化することを抑制できるので、例えば誘起電圧がインバータの耐電圧以下の低回転域において、ｑ軸インダクタンスが減少することを抑制できる。これにより、低回転域での可変界磁回転電機の出力の低下を抑制することができる。

本発明によれば、回転電機特性を調整でき、重量やコストの増加を抑え、さらに大型化を抑えることができる可変界磁回転電機を提供できる。

第１実施形態の回転電機の概略構成を示す断面図である。 第１実施形態の回転電機を示す横断面図である。 第１実施形態の回転電機を示す縦断面図である。 第１実施形態の回転電機を示す縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ線に相当する部分における断面図である。 回転電機の回転数に対するトルク特性および出力特性を示すグラフである。 第２実施形態の回転電機を示す縦断面図である。 第２実施形態の回転電機を示す縦断面図である。 実施形態の第１変形例のロータを示す横断面図である。 実施形態の第２変形例のロータを示す横断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。また、以下の説明では、可変界磁回転電機を単に回転電機と称する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の回転電機の概略構成を示す断面図である。
回転電機１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車のような車両に搭載される走行用モータである。図１に示すように、回転電機１は、ハウジング２と、ステータ１０と、ロータ２０と、シャフト４０と、可動鉄心移動機構５０と、を備えている。ハウジング２は、ステータ１０、ロータ２０、および可動鉄心移動機構５０を収容するとともに、シャフト４０を回転可能に支持している。なお、ステータ１０、ロータ２０およびシャフト４０は、それぞれ軸線Ｏ（所定軸線）を共通軸線として配置されている。以下、軸線Ｏの延びる方向を軸線方向と称し、軸線Ｏに直交する方向を径方向と称し、軸線Ｏ回りに周回する方向を周方向と称して説明する。

図２は、第１実施形態の回転電機を示す横断面図である。
図２に示すように、ステータ１０は、ステータコア１１と、ステータコア１１に装着された複数層（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイル１５と、を備えている。ステータ１０は、コイル１５に電流が流れることにより磁界を発生する。ステータコア１１は、軸線方向に延在する円筒状に形成されている。ステータコア１１は、例えば電磁鋼板を軸線方向に複数枚積層することにより形成されている。なお、ステータコア１１は、軟磁性粉を加圧成形することにより形成されていてもよい。ステータコア１１には、コイル１５が挿入されたコイルスロット１３が周方向に並んで設けられている。コイル１５は、例えば平角線により形成された複数の導体セグメントをステータコア１１のコイルスロット１３に挿入し、ステータコア１１から軸線方向に突出した部分において互いに連結されて構成されたセグメントコイルである。

図３は、第１実施形態の回転電機を示す縦断面図である。なお図３では、ステータ１０の図示を省略している（以下の縦断面図も同様）。
図２および図３に示すように、ロータ２０は、埋込磁石形のロータである。ロータ２０は、ステータ１０の径方向内側に配置されている。ロータ２０は、ロータコア２１と、ロータコア２１に埋設（装着）された永久磁石２５と、ロータコア２１の一端面に接して配置された端面板２７と、を備えている。ロータコア２１は、軸線方向に一様に延在する円筒状に形成され、ステータコア１１の内周面に対向配置されている。ロータコア２１は、例えば電磁鋼板を軸線方向に複数枚積層することにより形成されている。なお、ロータコア２１は、軟磁性粉を加圧成形することにより形成されていてもよい。ロータコア２１の内側には、シャフト４０が挿入され、圧入等により固定されている。これにより、ロータコア２１は、シャフト４０と一体となって、軸線Ｏ回りに回転可能に設けられている。

図２に示すように、ロータコア２１には、１／１２周の周角度領域のそれぞれに、永久磁石２５が装着される磁石装着部２３が形成されている。複数の磁石装着部２３は、ロータコア２１の外周部において、周方向に間隔をあけて形成されている。磁石装着部２３は、ロータコア２１を軸線方向に貫通するように形成されている。磁石装着部２３は、軸線方向から見て、径方向に直交する方向を長手方向とする矩形状に形成されている。

永久磁石２５は、希土類磁石である。希土類磁石としては、例えばネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石、プラセオジム磁石等が挙げられる。永久磁石２５は、磁石装着部２３に挿入され、例えば樹脂や接着剤等により、ロータコア２１に対して固定されている。永久磁石２５は、軸線方向および径方向の双方向に延びる直方体状に形成されている。永久磁石２５は、軸線方向および径方向の双方向において磁石装着部２３と同じ寸法に形成されている。また、永久磁石２５は、径方向に直交する方向において磁石装着部２３よりも小さく形成され、軸線方向から見た磁石装着部２３の長手方向中央に配置されている。これにより、各磁石装着部２３の軸線方向から見た長手方向両端には、空隙であるフラックスバリアが形成される。フラックスバリアは、永久磁石２５のロータコア２１への磁束漏れを抑制する。各永久磁石２５は、径方向に磁化方向が配向されている。また、複数の永久磁石２５は、周方向に沿って間隔をあけるとともに、交互に磁化方向が反転するように配置されている。

ロータコア２１には、軸線方向に沿って延びる複数の収納スロット２９（スロット）と、各収納スロット２９内に１個ずつ配置された複数の可動鉄心３１と、が形成されている。ここで、永久磁石２５の磁極の中心軸をｄ軸とし、ｄ軸に電気的に直交する方向をｑ軸とする。複数の収納スロット２９は、それぞれ周方向で隣り合う一対の磁石装着部２３の間に形成されている。すなわち、各収納スロット２９は、ｑ軸上に形成されている。各収納スロット２９は、軸線方向から見て径方向に延びる矩形状に形成されている。収納スロット２９は、軸線方向に一様に延びている。収納スロット２９の径方向外側の端部は、磁石装着部２３よりも径方向外側に位置している。収納スロット２９の径方向内側の端部は、磁石装着部２３よりも径方向内側に位置している。

可動鉄心３１は、収納スロット２９内に配置されることにより、周方向で隣り合うとともに極性の異なる一対の永久磁石２５間に配置されている。可動鉄心３１は、収納スロット２９に対応する直方体状に形成されている。可動鉄心３１の軸線方向における寸法は、収納スロット２９の軸線方向における寸法と一致している（図３参照）。可動鉄心３１は、収納スロット２９内を軸線方向に沿って移動可能になっている。可動鉄心３１は、ロータコア２１における可動鉄心３１以外の部分と同様に、例えば電磁鋼板を軸線方向に複数枚積層することにより形成されている。なお、可動鉄心３１は、軟磁性粉を加圧成形することにより形成されていてもよい。

図３に示すように、端面板２７は、ロータコア２１と略同径の円環板状に形成されている。端面板２７は、ロータコア２１の磁石装着部２３に装着された永久磁石２５（いずれも図２参照）の抜け止めとして使用されている。端面板２７の中心には、シャフト４０が貫通して固定されている。端面板２７には、軸線方向から見てロータコア２１の収納スロット２９と一致する貫通孔２７ａが形成されている。貫通孔２７ａには、軸線方向に移動して収納スロット２９から押し出された可動鉄心３１が配置される。

可動鉄心移動機構５０は、ロータ２０と軸線方向で並んで設けられている。可動鉄心移動機構５０は、径方向から見てステータ１０のコイル１５のうち、ステータコア１１から軸線方向に突出した部分と重なっている（図１参照）。可動鉄心移動機構５０は、ロータコア２１の回転に伴う遠心力により可動鉄心３１を所定位置から軸線方向に沿って移動させて、収納スロット２９内に磁気的空間部３３を形成する（図４参照）。なお、所定位置とは、可動鉄心３１の全体が収納スロット２９に配置される位置である（図３に示す可動鉄心３１の位置）。可動鉄心移動機構５０は、ケース５１と、転動部材５７と、スライド部６１と、鉄心連結部材６５と、付勢部材６７と、を備えている。

ケース５１は、ロータコア２１を挟んで端面板２７とは反対側に配置されている。ケース５１は、ロータコア２１およびシャフト４０のうち少なくともいずれか一方に固定されている。ケース５１は、シャフト４０に外挿された円筒部５２と、円筒部５２のロータコア２１側の一端部から径方向外側に向かって張り出した第１フランジ部５３と、円筒部５２の他端部から径方向外側に向かって張り出した第２フランジ部５４と、を備えている。第１フランジ部５３は、ロータコア２１と略同径の円環板状に形成され、ロータコア２１の他端面に接して配置されている。第１フランジ部５３は、端面板２７と同様に、ロータコア２１の磁石装着部２３に装着された永久磁石２５の抜け止めとして機能する。第１フランジ部５３には、鉄心連結部材６５に対応して、軸線方向に貫通する貫通部５３ａが形成されている。第２フランジ部５４は、第１フランジ部５３と略同径に形成されている。第２フランジ部５４の詳細形状については後述する。

転動部材５７は、円柱状のローラであって、第２フランジ部５４の一対の主面のうち第１フランジ部５３に対向する主面５５に常時接触している。転動部材５７は、複数設けられ、周方向に等間隔に配置されている。転動部材５７は、径方向に沿って移動可能に設けられている。なお、転動部材５７は、周方向の移動を規制され、ロータコア２１とともに軸線Ｏ回りに回転可能に設けられている。

上述したケース５１の第２フランジ部５４は、各転動部材５７に接触するように形成されている。第２フランジ部５４は、軸線方向から見て各転動部材５７の移動軌跡と重なる位置のみに形成されていてもよいし、周方向に全周に亘って延びていてもよい。第２フランジ部５４の主面５５は、径方向内側に設けられた第１部分５５ａと、第１部分５５ａよりも径方向外側に設けられ第１部分５５ａと連なる第２部分５５ｂと、を備えている。第１部分５５ａは、軸線Ｏに直交する平面状に形成されている。第２部分５５ｂは、径方向内側から外側に向かうに従い、軸線方向におけるロータコア２１側に延びる平面状に形成されている。

スライド部６１は、軸線方向において転動部材５７とケース５１の第１フランジ部５３との間に設けられている。スライド部６１は、ケース５１の円筒部５２の外周面に沿って軸線方向に沿って移動可能に設けられている。スライド部６１は、ケース５１の円筒部５２にスライド移動可能に外挿された円筒状のスライド筒部６２と、スライド筒部６２から径方向外側に向かって張り出すとともに周方向に沿って延びる円環板状のプレート部６３と、を備えている。プレート部６３は、スライド筒部６２におけるケース５１の第２フランジ部５４に対向する端部から張り出している。プレート部６３の外径は、ケース５１の第２フランジ部５４の外径と同程度に設定されている。プレート部６３は、転動部材５７に対して第１フランジ部５３側から接触している。プレート部６３の一対の主面のうち第２フランジ部５４に対向する主面６４は、軸線Ｏに直交する平面状に形成されている。

鉄心連結部材６５は、スライド部６１のプレート部６３からロータコア２１に向かって突出している。鉄心連結部材６５は、可動鉄心３１と同数設けられている。鉄心連結部材６５は、軸線方向から見て各可動鉄心３１と一致する位置に配置されている。鉄心連結部材６５は、非磁性材料により形成されている。非磁性材料としては、例えば樹脂材料やアルミニウム等が挙げられる。鉄心連結部材６５は、軸線方向に沿って一様に延在している。鉄心連結部材６５は、軸線方向から見て可動鉄心３１と同形同大に形成されている。鉄心連結部材６５は、ケース５１の第１フランジ部５３の貫通部５３ａに挿通され、可動鉄心３１に結合されている。鉄心連結部材６５の軸線方向の寸法は、ケース５１の第２フランジ部５４の主面５５の第１部分５５ａに転動部材５７が接触する状態（図３に示す状態）で、スライド部６１のプレート部６３とロータコア２１との間隔と一致している。鉄心連結部材６５は、軸線方向に沿って移動して可動鉄心３１を移動させる。鉄心連結部材６５は、可動鉄心３１をロータコア２１の収納スロット２９から押し出すことで、収納スロット２９内に可動鉄心３１が配置されていない磁気的空間部３３を形成する（図４参照）。

付勢部材６７は、ケース５１の第１フランジ部５３と、スライド部６１のプレート部６３と、の間に複数配置されている。複数の付勢部材６７は、周方向に等間隔に配置されている。付勢部材６７は、例えば圧縮コイルばねであって、スライド部６１を軸線方向におけるケース５１の第２フランジ部５４側に常時押圧している。ここで、ケース５１の第２フランジ部５４の主面５５の第２部分５５ｂと、スライド部６１のプレート部６３の主面６４と、の間隔は、径方向の外側から内側に向かうに従い漸次広くなっている。このため、転動部材５７がケース５１の第２フランジ部５４の主面５５の第２部分５５ｂに接触する状態では、付勢部材６７は、プレート部６３を介して転動部材５７を径方向内側に向かって付勢している。また、付勢部材６７は、プレート部６３および鉄心連結部材６５を介して、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させる。

ここで、回転電機１の動作について説明する。
図４は、第１実施形態の回転電機を示す縦断面図である。
図４に示すように、ロータ２０が回転すると、転動部材５７がロータコア２１とともに回転し、転動部材５７に遠心力が作用する。すると、転動部材５７は、径方向の外側に向かって移動する。この際、転動部材５７は、スライド部６１を介して作用する付勢部材６７の付勢力に抗しつつ、ケース５１の第２フランジ部５４の主面５５の第２部分５５ｂに沿って、軸線方向におけるロータコア２１側に変位する。これにより、転動部材５７は、転動部材５７に作用する遠心力の大きさ（ロータ２０の回転数）に応じて、スライド部６１を軸線方向におけるロータコア２１側に移動させる。

スライド部６１が軸線方向におけるロータコア２１側に移動すると、鉄心連結部材６５は、ロータコア２１の収納スロット２９に入り込むとともに、所定位置にある可動鉄心３１を収納スロット２９から押し出す。なお、付勢部材６７はスライド部６１を常時押圧しているので、転動部材５７は、転動部材５７に作用する遠心力が所定値以下の状態では、径方向の外側に向かって移動しない。つまり、可動鉄心移動機構５０は、ロータ２０の回転数が所定回転数を超えた場合に、可動鉄心３１を所定位置から移動させる。また、付勢部材６７は、転動部材５７に作用する遠心力が小さくなると、転動部材５７を遠心力に抗して径方向の内側に向かって移動させるとともに、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させる。

図５は、図４のＶ−Ｖ線に相当する部分における断面図である。
図４および図５に示すように、鉄心連結部材６５は非磁性体により形成されているので、収納スロット２９内には、鉄心連結部材６５が入り込んだ寸法に対応して磁気的空間部３３が形成される。その結果、ロータコア２１のｑ軸上に磁気的空間部３３が形成され、ｑ軸磁束が通りにくくなるため、ｑ軸インダクタンスが減少する。磁気的空間部３３は、可動鉄心３１の所定位置からの移動量に比例して軸線方向に大きくなる。可動鉄心３１の所定位置からの移動量は、転動部材５７に作用する遠心力の大きさ応じて決まる。このため、ロータ２０の回転数が増加すると、ｑ軸インダクタンスは減少する。

ここで、回転電機のトルク、および誘起電圧は、以下の式（１）（２）で表される。

ただし、Ｔはトルク、Ｖは誘起電圧、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｉ _ｄ はｄ軸電流、ｉ _ｑ はｑ軸電流、ωはロータの角速度、Φａは磁石による鎖交磁束である。また、式（１）における第１項はマグネットトルクであり、第２項はリラクタンストルクである。
式（２）より、誘起電圧Ｖは、ロータの角速度ω、すなわちロータの回転数に比例している。このため、ロータの回転数が増加すると、誘起電圧Ｖが回転電機を制御するインバータの耐電圧に達する。ここで、本実施形態の回転電機１においては、上述したようにロータ２０の回転数が増加するとｑ軸インダクタンスが減少する。このため、誘起電圧Ｖが回転電機を制御するインバータの耐電圧に達した状態では、ｑ軸インダクタンスがロータ２０の回転数に応じて変化しない構成と比較して、ｑ軸電流の低下が抑制される。これにより、式（１）に示すマグネットトルクおよびリラクタンストルクの低下を抑制できる。

図６は、回転電機の回転数に対するトルク特性および出力特性を示すグラフである。
図６のグラフにおいて、横軸は回転電機の回転数を示す。また、縦軸は回転電機のトルクおよび出力を示す。図６では、本実施形態の回転電機１の構成を適用した回転電機において、磁気的空間部３３が無い状態、すなわち収納スロット２９内の全体に可動鉄心３１が配置されている状態（図中「可動鉄心あり」と記載）と、収納スロット２９内の全体が磁気的空間部３３となっている状態（図中「可動鉄心なし」と記載）と、のデータを示している。

図６に示すように、回転数がおよそ０ｒｐｍから５０００ｒｐｍの低回転域では、磁気的空間部３３を設けることで出力およびトルクの両方が低下している。一方で、回転数がおよそ５０００ｒｐｍよりも大きい高回転域では、上述した誘起電圧が回転電機を制御するインバータの耐電圧に達したことにより、回転数が大きくなるに従いトルクが減少している。高回転域における回転数の増加に対するトルクの減少率は、磁気的空間部３３を設けることで小さくなっている。その結果、高回転域では、磁気的空間部３３を設けた回転電機の出力が、磁気的空間部３３が無い回転電機の出力を上回っている。

このように、本実施形態によれば、ロータコア２１の回転に伴ってロータコア２１の収納スロット２９内に磁気的空間部３３が形成されるので、ロータコア２１の磁気特性をロータ２０の回転数に応じて変化させることができる。このため、遠心力により回転電機特性（トルクや出力等）を調整でき、従来技術のようにワイヤ式牽引装置を備えた構成と比較して、重量やコストの増加を抑え、さらに大型化を抑えることができる回転電機１を提供することができる。

また、複数の永久磁石２５は、周方向に沿って間隔をあけてロータコア２１に埋設され、可動鉄心３１は、周方向で隣り合うとともに極性の異なる一対の永久磁石２５間に配置されているので、磁気的空間部３３がｑ軸上に形成される。ｑ軸上に磁気的空間部３３が形成されると、磁気抵抗が高くなり、ｑ軸インダクタンスが減少する。このため、高回転域において誘起電圧が回転電機１を制御するインバータの耐電圧に達した際に、ｑ軸インダクタンスが減少することでｑ軸電流の減少を抑制することができる。これにより、回転電機１のトルクの減少が抑制されるので、回転電機１の出力の低下を抑制することができる。

また、可動鉄心移動機構５０は、ロータコア２１とともに軸線Ｏ回りに回転可能、かつ径方向に沿って移動可能に設けられた転動部材５７と、転動部材５７の径方向の外側への移動に連動して軸線方向に沿って移動し、可動鉄心３１を移動させる鉄心連結部材６５と、転動部材５７を径方向の内側に向かって付勢し、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させる付勢部材６７と、を備える。この構成では、ロータコア２１が回転すると、転動部材５７も回転して、遠心力により径方向の外側に向かって移動する。鉄心連結部材６５は、転動部材５７が遠心力により径方向の外側に向かって移動すると、転動部材５７の移動に連動して可動鉄心３１を軸線方向に沿って移動させる。付勢部材６７は、転動部材５７を径方向の内側に向かって付勢し、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させるので、転動部材５７に作用する遠心力が小さくなると、転動部材５７を遠心力に抗して径方向の内側に向かって移動させるとともに、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させる。以上により、ロータ２０の回転数に応じて可動鉄心３１を所定位置から軸線方向に沿って移動させることが可能な可動鉄心移動機構５０を形成することができ、上述した作用効果を奏する回転電機１を提供できる。

また、鉄心連結部材６５は、非磁性材料により形成されている。このため、鉄心連結部材６５が可動鉄心３１を所定位置から軸線方向に沿って移動させて収納スロット２９内に磁気的空間部３３を形成する際に、非磁性材料により形成された鉄心連結部材６５を収納スロット２９内に入り込ませることができる。このため、鉄心連結部材が磁性材料により形成された場合と比較して、収納スロット２９内に磁気的空間部３３をより大きく形成でき、ロータコア２１の磁気特性をより大きく変化させることが可能となる。
なお、鉄心連結部材６５を非磁性材料としてアルミニウム等の金属材料により形成した場合には、鉄心連結部材６５において渦損が生じる可能性がある。このため、鉄心連結部材６５を形成する非磁性材料として、樹脂材料を用いることが望ましい。

また、可動鉄心移動機構５０は、ロータ２０の回転数が所定回転数を超えた場合に可動鉄心３１を移動させる。このため、ロータ２０の回転数が所定回転数以下の状態で、ロータコア２１の磁気特性が変化することを抑制できるので、例えば誘起電圧が回転電機１を制御するインバータの耐電圧以下の低回転域において、ｑ軸インダクタンスが減少することを抑制できる。これにより、低回転域での回転電機１の出力の低下を抑制することができる。

また、可動鉄心３１の所定位置からの移動量は、ロータ２０の回転数が増加するに従って大きくなる。すなわち、可動鉄心３１の押し出し量は、ロータ２０の回転数が増加するに従って大きくなる。ロータコア２１の表面積は、可動鉄心３１の押し出し量が増加するに従って大きくなる。このため、ロータ２０の回転数の増加に伴って発熱量が増加するに従い、ロータ２０の表面積を大きく確保することができる。また、可動鉄心３１がロータコア２１における可動鉄心３１以外の箇所から突出しているので、ハウジング２内に冷媒が収容されている場合には、冷媒を撹拌することができる。したがって、ロータ２０を効率良く冷却することが可能となる。

なお、上記実施形態では、ケース５１の第２フランジ部５４の主面５５に、径方向内側から外側に向かうに従い軸線方向におけるロータコア２１側に延びる第２部分５５ｂが形成され、これにより転動部材５７が径方向の外側に向かって移動しつつ軸線方向におけるロータコア２１側に変位し、鉄心連結部材６５を軸線方向に移動させるように形成されている。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、スライド部６１のプレート部６３の主面６４に、径方向内側から外側に向かうに従い軸線方向におけるロータコア２１とは反対側に延びる部分が形成され、これにより転動部材５７が径方向の外側に向かって移動すると、スライド部６１が軸線方向におけるロータコア２１側に変位し、鉄心連結部材６５を軸線方向に移動させるように形成されていてもよい。

［第２実施形態］
図７および図８は、第２実施形態の回転電機を示す縦断面図である。
図７に示す第２実施形態では、可動鉄心移動機構１５０が油圧システムにより可動鉄心３１を移動させるように構成されている点で、第１実施形態と異なっている。

図７および図８に示すように、可動鉄心移動機構１５０は、ロータコア２１の回転に伴う遠心力により可動鉄心３１を軸線方向に沿って移動させて、収納スロット２９内に磁気的空間部３３を形成する。可動鉄心移動機構１５０は、油圧システムである。可動鉄心移動機構１５０は、軸線方向に沿って移動可能に設けられ可動鉄心３１を軸線方向に沿って移動させる第１ピストン１５１と、ロータコア２１とともに所定軸線回りに回転可能、かつ径方向に沿って移動可能に設けられた第２ピストン１５３と、内部に作動油Ｆが充填され、第１ピストン１５１を軸線方向に沿って移動可能に支持するとともに、第２ピストン１５３を径方向に沿って移動可能に支持するシリンダ１５５と、第２ピストン１５３を径方向の内側に向かって付勢する付勢部材１６１と、を備える。

図７に示すように、シリンダ１５５は、ロータコア２１を挟んで端面板２７とは反対側に配置されている。シリンダ１５５は、ロータコア２１およびシャフト４０のうち少なくともいずれか一方に固定されている。シリンダ１５５の内側には、第１ピストン１５１および第２ピストン１５３が配置されている。シリンダ１５５の形状については後述する。

第１ピストン１５１は、可動鉄心３１と同数設けられている。第１ピストン１５１は、軸線方向から見て各可動鉄心３１と一致する位置に配置されている。第１ピストン１５１は、非磁性材料により形成されている。非磁性材料としては、例えば樹脂材料やアルミニウム等が挙げられる。第１ピストン１５１は、可動鉄心３１側の端部を除いて、軸線方向に沿って一様に延在している。第１ピストン１５１は、可動鉄心３１側の端部において拡幅している。これにより、第１ピストン１５１がシリンダ１５５内に完全に引き込まれることが規制される。第１ピストン１５１の可動鉄心３１側の端面は、可動鉄心３１の第１ピストン１５１側の端面と略同形同大に形成され、可動鉄心３１に全面で接触して結合されている。第１ピストン１５１は、シリンダ１５５の内部の作動油Ｆの圧力が高まると、軸線方向に沿ってロータコア２１側に移動する。

第２ピストン１５３は、第１ピストン１５１と同数設けられている。第２ピストン１５３は、例えば周方向において第１ピストン１５１と同じ位置に配置されている。第２ピストン１５３は、径方向における第１ピストン１５１とシャフト４０との間に配置されている。第２ピストン１５３は、径方向に沿って一様に延在している。第２ピストン１５３のピストン面積は、第１ピストン１５１のピストン面積よりも大きい。第２ピストン１５３は、径方向の外側に向かって移動することにより、シリンダ１５５の内部の作動油Ｆの圧力を高める。

シリンダ１５５は、第１ピストン１５１を軸線方向に沿って移動可能に支持する第１シリンダ部１５６と、第２ピストン１５３を径方向に沿って移動可能に支持する第２シリンダ部１５７と、第１シリンダ部１５６の内部と第２シリンダ部１５７の内部とを連通する空間を内部に有する連通部１５８と、を備えている。第１シリンダ部１５６、第２シリンダ部１５７および連通部１５８の内部空間は、連続した空間になっており、作動油Ｆが充填されている。なお、シリンダ１５５は、各第１ピストン１５１に対応して複数設けられ、それらが互いに分離していてもよいし、一体化していてもよい。また、シリンダ１５５の一部は、端面板２７と同様に永久磁石２５（図２参照）の抜け止めとして機能するように、ロータコア２１と略同径の円環板状に形成され、ロータコア２１の端面に接して配置されていてもよい。

付勢部材１６１は、第２ピストン１５３とシャフト４０との間に配置されている。付勢部材１６１は、例えば引張コイルばねであって、第２ピストン１５３を径方向内側に向けて常時引っ張っている。付勢部材６７は、シリンダ１５５内の作動油Ｆ、および第１ピストン１５１を介して、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させる。

ここで、回転電機１０１の動作について説明する。
図８に示すように、ロータ２０が回転すると、第２ピストン１５３がロータコア２１とともに回転し、第２ピストン１５３に遠心力が作用する。すると、第２ピストン１５３は、付勢部材１６１の付勢力に抗しつつ、径方向の外側に向かって移動する。第２ピストン１５３は、シリンダ１５５の内部の作動油Ｆの圧力を高める。シリンダ１５５の内部の作動油Ｆの圧力が高くなると、第１ピストン１５１が軸線方向におけるロータコア２１側に移動する。これにより、第２ピストン１５３は、第２ピストン１５３に作用する遠心力の大きさ（ロータ２０の回転数）に応じて、第１ピストン１５１を軸線方向におけるロータコア２１側に移動させる。

第１ピストン１５１は、軸線方向におけるロータコア２１側に移動すると、ロータコア２１の収納スロット２９に入り込むとともに、所定位置にある可動鉄心３１を収納スロット２９から押し出す。なお、付勢部材１６１は第２ピストン１５３を常時引っ張っているので、第２ピストン１５３は、第２ピストン１５３に作用する遠心力が所定値以下の状態では、径方向の外側に向かって移動しない。つまり、可動鉄心移動機構１５０は、ロータ２０の回転数が所定回転数を超えた場合に、可動鉄心３１を所定位置から移動させる。また、付勢部材１６１は、第２ピストン１５３に作用する遠心力が小さくなると、第２ピストン１５３を遠心力に抗して径方向の内側に向かって移動させるとともに、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させる。

第１ピストン１５１は非磁性体により形成されているので、収納スロット２９内には、第１ピストン１５１が入り込んだ寸法に対応して磁気的空間部３３が形成される。磁気的空間部３３は、可動鉄心３１の所定位置からの移動量に比例して軸線方向に大きくなる。可動鉄心３１の所定位置からの移動量は、第２ピストン１５３に作用する遠心力の大きさ応じて決まる。このため、ロータ２０の回転数が増加すると、磁気的空間部３３が軸線方向に大きくなる。

このように、本実施形態では、ロータコア２１の回転に伴ってロータコア２１の収納スロット２９内に磁気的空間部３３が形成されるので、第１実施形態と同様に、回転電機特性を調整でき、重量やコストの増加を抑え、さらに大型化を抑えることができる回転電機１０１を提供することができる。

また、可動鉄心移動機構１５０は、軸線方向に移動可能に設けられ可動鉄心３１を軸線方向に沿って移動させる第１ピストン１５１と、ロータコア２１とともに軸線Ｏ回りに回転可能、かつ径方向に沿って移動可能に設けられた第２ピストン１５３と、内部に作動油Ｆが充填され、第１ピストン１５１を軸線方向に沿って移動可能に支持するとともに、第２ピストン１５３を径方向に沿って移動可能に支持するシリンダ１５５と、第２ピストン１５３を径方向の内側に向かって付勢し、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させる付勢部材１６１と、を備える油圧システムである。この構成では、ロータコア２１が回転すると、第２ピストン１５３も回転して、遠心力により径方向の外側に向かって移動する。第１ピストン１５１および第２ピストン１５３は、シリンダ１５５に移動可能に支持されているので、第２ピストン１５３が移動すると、第１ピストン１５１も軸線方向に沿って移動する。これにより、第１ピストン１５１は、可動鉄心３１を軸線方向に沿って移動させる。付勢部材１６１は、第２ピストン１５３を径方向の内側に向かって付勢し、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させるので、第２ピストン１５３に作用する遠心力が小さくなると、第２ピストン１５３を遠心力に抗して径方向の内側に向かって移動させるとともに、可動鉄心３１を所定位置に向けて移動させる。以上により、ロータ２０の回転数に応じて可動鉄心３１を所定位置から軸線方向に移動させることが可能な可動鉄心移動機構１５０を形成することができ、上述した作用効果を奏する回転電機１０１を提供できる。

また、第１ピストン１５１は、非磁性材料により形成されているので、第１ピストン１５１が可動鉄心３１を所定位置から軸線方向に沿って移動させて収納スロット２９内に磁気的空間部３３を形成する際に、非磁性材料により形成された第１ピストン１５１を収納スロット２９内に入り込ませることができる。このため、第１ピストンが磁性材料により形成された場合と比較して、収納スロット２９内に磁気的空間部３３をより大きく形成でき、ロータコア２１の磁気特性をより大きく変化させることが可能となる。
なお、第１ピストン１５１を非磁性材料としてアルミニウム等の金属材料により形成した場合には、第１ピストン１５１において渦損が生じる可能性がある。このため、第１ピストン１５１を形成する非磁性材料として、樹脂材料を用いることが望ましい。

また、可動鉄心移動機構１５０は、油圧システムであって、第２ピストン１５３のピストン面積は、第１ピストン１５１のピストン面積よりも大きいので、第２ピストン１５３の移動量よりも大きく第１ピストン１５１を移動させることができる。このため、可動鉄心移動機構１５０の径方向の寸法に制限がある場合に好適である。

なお、上記第２実施形態では、第２ピストン１５３が第１ピストン１５１と同数設けられているが、これに限定されない。例えば複数の第１ピストンを１つの第２ピストンにより移動させるように構成してもよいし、１つの第１ピストンを複数の第２ピストンにより移動させるように構成してもよい。なお、いずれの場合であっても、第２ピストンは複数設けられて周方向に等間隔に配置されていることが望ましい。これにより、可動鉄心移動機構の軸線Ｏに対する偏心を抑制できる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、ロータの形状は、上記実施形態のロータ２０の形状に限定されない。例えば図９に示すロータ１２０、または図１０に示すロータ２２０に上述した可動鉄心移動機構５０，１５０を組み合わせてもよい。

具体的に、図９に示すように、ロータ１２０のロータコア１２１には、１／１２周角度領域のそれぞれに、永久磁石１２５が装着される磁石装着部１２３が形成されている。磁石装着部１２３は、周方向に間隔をあけて並ぶ複数（図示の例では３つ）の磁石スロット１２３ａを備えている。複数の磁石スロット１２３ａは、それぞれ軸線方向から見て径方向に対して交差する方向を長手方向とする矩形状に形成されている。図示の例では、３つの磁石スロット１２３ａは、軸線方向から見てＵ字状で径方向外側に開くように配置されている。そして、ロータコア１２１には、収納スロット１２９（スロット）および可動鉄心１３１が形成されている。収納スロット１２９は、周方向で隣り合う一対の磁石装着部１２３の間に形成されている。可動鉄心１３１は、収納スロット１２９内に配置されている。

また、図１０に示すように、ロータ２２０のロータコア２２１には、１／１２周角度領域のそれぞれに、永久磁石２２５が装着される磁石装着部２２３が形成されている。磁石装着部２２３は、径方向に間隔をあけて並ぶ複数（図示の例では３つ）のスリット２２３ａを備えている。複数のスリット２２３ａは、同心の円弧状に形成され、径方向内側に向かって凸となるように設けられている。そして、ロータコア２２１には、収納スロット２２９（スロット）および可動鉄心２３１が形成されている。収納スロット２２９は、周方向で隣り合う一対の磁石装着部２２３の間に形成されている。可動鉄心２３１は、収納スロット２２９内に配置されている。

また、上記実施形態においては、回転電機として磁石埋込形のロータを備えた、いわゆるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータを例に挙げているが、これに限定されない。回転電機は、ロータコアの外周面に磁石が装着されたロータを備えた、いわゆるＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータであってもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した各実施形態および各変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…回転電機（可変界磁回転電機） ２０，１２０，２２０…ロータ ２１，１２１，２２１…ロータコア ２５，１２５，２２５…永久磁石 ２９，１２９，２２９…収納スロット（スロット） ３１，１３１，２３１…可動鉄心 ５０，１５０…可動鉄心移動機構 ５７…転動部材 ６５…鉄心連結部材 ６７，１６１…付勢部材 １５１…第１ピストン １５３…第２ピストン １５５…シリンダ Ｆ…作動油 Ｏ…軸線（所定軸線）

Claims (7)

1. 所定軸線回りに回転可能に設けられたロータコアと、
   前記ロータコアに装着された複数の永久磁石と、
   を有するロータを備え、
   前記ロータコアには、
   前記所定軸線の軸線方向に沿って延びるスロットと、
   前記スロット内に配置され、前記軸線方向に沿って移動可能な可動鉄心と、
   が形成され、
   前記ロータコアの回転に伴う遠心力により、前記可動鉄心を所定位置から前記軸線方向に沿って移動させて、前記スロット内に磁気的空間部を形成する可動鉄心移動機構と、
   前記ロータ、前記可動鉄心移動機構および冷媒を収容するハウジングと、
   をさらに備え、
   前記複数の永久磁石は、前記ロータコアの周方向に沿って間隔をあけて前記ロータコアに埋設され、
   前記可動鉄心は、前記周方向で隣り合うとともに極性の異なる一対の前記永久磁石間に配置され、かつ前記ロータコアから突出可能に形成されている、
   ことを特徴とする可変界磁回転電機。
2. 前記可動鉄心移動機構は、
   前記ロータコアとともに前記所定軸線回りに回転可能、かつ前記ロータコアの径方向に沿って移動可能に設けられた転動部材と、
   前記転動部材の前記径方向の外側への移動に連動して前記軸線方向に沿って移動し、前記可動鉄心を移動させる鉄心連結部材と、
   前記転動部材を前記径方向の内側に向かって付勢し、前記可動鉄心を前記所定位置に向けて移動させる付勢部材と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変界磁回転電機。
3. 前記鉄心連結部材は、非磁性材料により形成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の可変界磁回転電機。
4. 所定軸線回りに回転可能に設けられたロータコアと、
   前記ロータコアに装着された複数の永久磁石と、
   を有するロータを備え、
   前記ロータコアには、
   前記所定軸線の軸線方向に沿って延びるスロットと、
   前記スロット内に配置され、前記軸線方向に沿って移動可能な可動鉄心と、
   が形成され、
   前記ロータコアの回転に伴う遠心力により、前記可動鉄心を所定位置から前記軸線方向に沿って移動させて、前記スロット内に磁気的空間部を形成する可動鉄心移動機構をさらに備え、
   前記可動鉄心移動機構は、
   前記軸線方向に沿って移動可能に設けられ、前記可動鉄心を前記軸線方向に沿って移動させる第１ピストンと、
   前記ロータコアとともに前記所定軸線回りに回転可能、かつ前記ロータコアの径方向に沿って移動可能に設けられた第２ピストンと、
   内部に作動油が充填され、前記第１ピストンを前記軸線方向に沿って移動可能に支持するとともに、前記第２ピストンを前記径方向に沿って移動可能に支持するシリンダと、
   前記第２ピストンを前記径方向の内側に向かって付勢し、前記可動鉄心を前記所定位置に向けて移動させる付勢部材と、
   を備える油圧システムである、
   ことを特徴とする可変界磁回転電機。
5. 前記複数の永久磁石は、前記ロータコアの周方向に沿って間隔をあけて前記ロータコアに埋設され、
   前記可動鉄心は、前記周方向で隣り合うとともに極性の異なる一対の前記永久磁石間に配置されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の可変界磁回転電機。
6. 前記第１ピストンは、非磁性材料により形成されている、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の可変界磁回転電機。
7. 前記可動鉄心移動機構は、前記ロータの回転数が所定回転数を超えた場合に前記可動鉄心を前記所定位置から移動させる、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の可変界磁回転電機。

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