JPWO2014109220A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束の漏れによる損失発生を防止しつつ回転電機の特性を種々調整可能とする。【解決手段】回転電機１は、軸方向両側の第１、第２大径部１１、１２、及び、大径部１１、１２の軸方向中間部の第１小径部１３を備えた磁性体１０と、磁性体１０を収納可能な空間２１を備えたシャフト体２０と、Ｎ極磁石８ａ、Ｓ極磁石８ｂを周方向に交互に配列した外周部３１、第１大径部１１の径方向外側に対向可能な外周部３１の径方向内側の軸方向一方側の第１内周部３２、第２大径部１２の径方向外側に対向可能な外周部３１の径方向内側の軸方向他方側の第２内周部３３、第１内周部３１と外周部３１のＮ極磁石８ａの配置部位とを連結する第１連結部３４、第２内周部３３と外周部３１のＳ極磁石８ｂの配置部位とを連結する第２連結部３５を備え、シャフト体２０に固定されるロータコア３０と、磁気回路を形成する巻線４と、を有する。

Description

開示の実施形態は、回転電機に関する。

特許文献１には、ステータが軸線方向に移動してステータとロータとの相対する面積を変化させることで、特性を調整可能な回転電機が記載されている。

特開２００８−２９５２７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、ロータの回転駆動に寄与する磁気回路からの磁束の漏れ量を増減する手法であり、磁束の漏れによる損失が発生する。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、磁束の漏れによる損失発生を防止しつつ特性を種々調整可能な、回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、軸方向一方側に位置する第１柱状部、軸方向他方側に位置する第２柱状部、及び、前記第１柱状部及び前記第２柱状部の軸方向中間部に位置する第３柱状部、を少なくとも備えた、磁性体と、前記磁性体を収納可能な空間を備え、回転可能なシャフト体と、前記シャフト体に固定されるとともに、互いに極性が異なる第１極磁石及び第２極磁石を周方向に沿って交互に配列した外周部、前記外周部の径方向内側の前記軸方向一方側に設けられ前記第１柱状部の径方向外側に対向可能な第１内周部、前記外周部の径方向内側の前記軸方向他方側に設けられ前記第２柱状部の径方向外側に対向可能な第２内周部、前記第１内周部と前記外周部の前記第１極磁石の配置部位とを径方向に連結する第１連結部、及び、前記第２内周部と前記外周部の前記第２極磁石の配置部位とを径方向に連結する第２連結部、を備えた、ロータコアと、前記ロータコアの径方向外側に設けられたステータコアと、前記ステータコアに設けられた第１巻線と、を有する回転電機が適用される。

本発明の回転電機によれば、磁束の漏れによる損失発生を防止しつつ特性を種々調整するができる。

第１実施形態の回転電機の全体構成を表す軸方向断面図である。 回転電機に備えられたシャフト体の外観図である。 図１中のＡ−Ａ′断面による横断面図、Ｂ−Ｂ′断面による横断面図、及びＣ−Ｃ′断面による横断面図である。 回転電機のロータコア及びその内側を軸線方向に切断した半体を示す斜視図である。 第１状態の磁性体及びロータコアと、第２状態の磁性体及びロータコアとを示す概念的軸方向断面図である。 磁性体とロータコアとが第２状態にある回転電機を表す軸方向断面図である。 磁性体を多段に構成した変形例における磁性体及びロータコアを示す概念的軸方向断面図である。 磁性体の第１大径部及び第２大径部に永久磁石を設けた変形例における磁性体及びロータコアを示す概念的軸方向断面図である。 磁性体の第１小径部に永久磁石を設けた変形例における磁性体及びロータコアを示す概念的軸方向断面図である。 分割構造にした磁性体を軸方向反対側に駆動可能とした変形例における回転電機の磁性体及びロータコアの第１状態と第２状態の軸方向軸方向断面図である。 第２実施形態における磁性体及びロータコアを示す概念的軸方向断面図、図１１（ａ）中のＦ−Ｆ′断面による横断面図、回転後の状態の磁性体及びロータコアを示す概念的軸方向断面図、及び、図１１（ｃ）中のＧ−Ｇ′断面による横断面図である。 第３実施形態の回転電機の全体構成を表す軸方向断面図である。 回転電機に備えられたシャフト体の外観図である。 図１２のＨ−Ｈ′断面による横断面図、Ｉ−Ｉ′断面による横断面図、及びＪ−Ｊ′断面による横断面図である。 第４実施形態の回転電機のロータコア及びその内側を、軸方向横断面で見て内周角１３５°の扇形に切断した半体を斜視で表した図である。 第４実施形態の回転電機で図３（ａ）〜図３（ｃ）にそれぞれ対応する横断面図である。 第３実施形態と第４実施形態を組み合わせた回転電機で図１４、図１６に対応する横断面図である。

以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜回転電機の全体構成＞
まず、第１実施形態の回転電機の全体構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、回転電機の軸方向断面図であり、図２は、回転電機に備えられたシャフト体の外観図である。

図１に示すように、回転電機１は、磁性体１０と、磁性体１０を収納可能な空間２１を径方向中央部に備えたシャフト体２０と、シャフト体２０に固定されたロータコア３０と、ロータコア３０の径方向外側に設けられたステータコア５０と、ステータコア５０の径方向外側部分に設けられた界磁ヨーク５０ａ（後述の図３参照）と、ステータコア５０に設けられた巻線４（第１巻線に相当）と、磁性体１０をシャフト体２０の空間２１内において軸方向に変位可能とする軸方向駆動機構６０（第１駆動手段に相当）と、を備えている。

ケース３は、軸方向一方側（図１中の上側）が開口し、軸方向他方側（図１中の下側）が閉じられた円筒状に形成されている。ケース３の上記軸方向一方側の開口部３ａは、シャフト体２０が貫通する蓋体６によって閉じられている。

シャフト体２０の上記軸方向一方側部分は、軸受７ａによって蓋体６に回転自在に支持されている。シャフト体２０の上記軸方向他方側部分は、軸受７ｂによってケース３の底壁部３ｂに回転自在に支持されている。またシャフト体２０は、図２及び上記図１に示すように、有底の円筒体部２３と、円筒体部２３の上記軸方向一方側に設けられた小円筒状の中空の鍔部２２と、鍔部２２の上記軸方向一方側に設けられた軸部２４と、を備えている。鍔部２２及び円筒体部２３は、内側の中空部が連通し、上記空間２１を形成している。円筒体部２３は、図２に示すように、周壁部２３ｃに複数個（この例では８個）のスリット２５が周方向に所定間隔で設けられている。

スリット２５は、円筒体部２３の上記軸方向一方側（図２中の上側）の天板部２３ａの直下から、軸方向他方側（図２中の下側）の底部２３ｂの近くに至る、長方形状を備えている。またスリット２５は、径方向に貫通して上記空間２１に連通している。

＜磁性体及びその周囲の横断面構造＞
図３（ａ）は、図１中のＡ−Ａ′断面による横断面図であり、図３（ｂ）は、図１中のＢ−Ｂ′断面による横断面図であり、図３（ｃ）は、図１中のＣ−Ｃ′断面による横断面図である。図４は、回転電機のロータコア及びその内側を軸線方向に切断した半体を示す斜視図である。

磁性体１０は、図３（ａ）〜図３（ｃ）、図４、及び上記図１に示すように、上記軸方向一方側（図４中では上側）に位置する第１大径部１１（第１柱状部に相当）と、上記軸方向他方側（図４中では下側）に位置する第２大径部１２（第２柱状部に相当）と、これら第１大径部１１及び第２大径部１２の軸方向中間部に位置する第１小径部１３（第３柱状部に相当）と、を備えている。

ロータコア３０は、環状の外周部３１と、外周部３１の径方向内側の上記軸方向一方側に設けられた環状の第１内周部３２と、外周部３１の径方向内側の上記軸方向他方側に設けられた環状の第２内周部３３と、第１内周部３２と外周部３１とを径方向に連結する第１連結部３４と、第２内周部３３と外周部３１とを径方向に連結する第２連結部３５と、を備えている。このとき、外周部３１は、シャフト体２０の円筒体部２３の外周面に嵌合されている。第１内周部３２及び第２内周部３３は、上記円筒体部２３の内周面に嵌合されている。第１連結部３４及び第２連結部３５は、上記円筒体部２３の周壁部２３ｃのスリット２５に嵌合されている。ロータコア３０は、上記のようにして外周部３１、第１内周部３２、第２内周部３３、第１連結部３４、及び第２連結部３５が嵌合された状態で、シャフト体２０の天板部２３ａ及び底壁部２３ｂに固定されている。

第１内周部３２は、磁性体１０が図１及び図４に示す位置であるとき、上記第１大径部１１の径方向外側に対向する。同様に、第２内周部３３は、磁性体１０が図１及び図４に示す位置であるとき、上記第２大径部１２の径方向外側に対向する。

外周部３１は、この例では、断面八の字状領域と断面矩形状領域とが交互に形成されるように、平板形状の永久磁石３１ａによって周方向に区画されている。平板形状の永久磁石３１ａは、ロータコア３０と軸方向長さが同じに設定され、ロータコア３０の中心軸方向と平行に外周部３１を貫通している。各永久磁石３１ａは、それぞれの平板形状の厚み方向（ロータコア３０の略周方向）に磁化されている。各永久磁石３１ａの磁化方向は、各断面八の字領域を挟む２つの永久磁石３１ａどうしでは周方向で略対向し合い、各断面矩形状領域を挟む２つの永久磁石３１ａどうしでは周方向に略同じ方向に向いている。Ｎ極性で対向し合う２つの永久磁石３１ａに挟まれている断面八の字領域では、そこから径方向外方及び径方向内方のそれぞれに対してＮ極性の磁束を放出するＮ極（第１極に相当）磁極部８ａとなる。Ｓ極性で対向し合う２つの永久磁石３１ａに挟まれている断面八の字領域では、そこから径方向外方及び径方向内方のそれぞれに対してＳ極性の磁束を放出するＳ極（第２極に相当）磁極部８ａとなる。これにより、断面八の字領域だけで見ると、径方向に対する極性方向が互いに異なるＮ極磁極部８ａ及びＳ極磁極部８ｂが、周方向に沿って交互に複数個（この例では、各４個のＮ極磁極部８ａ及びＳ極磁極部８ｂ）配列されている。

第１連結部３４は、第１内周部３２と外周部３１とを、Ｎ極磁極部８ａの配置部位において径方向に連結している。第２連結部３５は、第２内周部３３と外周部３１とをＳ極磁極部８ｂの配置部位において径方向に連結している。

ステータコア５０は、ロータコア３０の外周面と磁気的間隙を空けて設けられている。ステータコア５０の内周側には、径方向内方に突出した複数のティース５１が周方向に沿って配列されている。巻線４は、ステータコア５０のティース５１の周囲に巻回され、上記界磁ヨーク５０ａとロータコア３０との間に磁気回路を形成するようにステータコア５０に設けられている。

＜軸方向駆動機構＞
軸方向駆動機構６０は、上記図１及び図３に示すように、モータ６２と、モータ６２のモータ軸の上記軸方向一方側に固定されるとともに、磁性体１０の軸心部に螺合するボールねじ６１と、ボールねじ６１の周囲に軸方向に設けられ複数本のガイドロッド６３と、を備えている。

ボールねじ６１の磁性体１０から突出した軸方向一方側及び他方側は、シャフト体２０の鍔部２２及びケース３の底壁部３ｃにそれぞれ回転自在に支持されている。このボールねじ６１には、例えば右ねじが切られている。一方、ガイドロッド６３は、磁性体１０の上記第１大径部１１及び第２大径部１２に係合する。磁性体１０は、上記ガイドロッド６３によって、上記軸方向への移動が許容されつつ、軸回りの回転が阻止される。

＜磁性体の軸方向移動＞
上記のような軸方向駆動機構６０の構成により、例えばモータ６２の回転駆動によってボールねじ６１が右回りに回転すると、シャフト体２０の空間２１内において、磁性体１０は、上記ガイドロッド６３にガイドされつつ上記軸方向一方側に移動する。逆に、モータ６２の回転駆動によりボールねじ６１が左回りに回転すると、シャフト体２０の空間２１内において、磁性体１０は、上記ガイドロッド６３にガイドされつつ軸方向他方側に移動する。このように、磁性体１０は、軸方向駆動機構６０によって、シャフト体２０の空間２１内において、軸方向位置を変位することができる。

＜動作及び作用効果＞
次に、上記構成の本実施形態の回転電機の動作を説明する。

＜２つの磁気回路が形成される状態＞
図１及び図４に示す状態（以下適宜、第１状態という）において、前述したように、磁性体１０の第１大径部１１及び第２大径部１２がロータコア３０の第１内周部３２及び第２内周部３３にそれぞれ対向している。この状態において、ロータコア３０のＮ極の磁極部８ａから出た磁力線が、図３に示すように、ステータコア５０を径方向に横切って上記界磁ヨーク５０ａに至り、上記界磁ヨーク５０ａを周方向両側（図３では図中右側の片側のみ例示）に回り込んだ後、ステータコア５０を径方向に横切ってロータコア３０のＮ極を挟む隣接した２つのＳ極の磁極部８ｂに戻る。これにより、界磁ヨーク５０ａとロータコア３０との間に径方向に磁気回路（以下、適宜「第１磁気回路」と称す）Ｑ１が形成される。この状態で、ステータコア５０に設けられた巻線４に電流が流されると、巻線４のコイルに発生した磁力線と上記第１磁気回路Ｑ１との相互作用によって、シャフト体２０に固定されたロータコア３０に回転力が発生し、回転電機１は、ロータコア３０を含むロータが回転駆動される。

一方このとき、上記のように、第１大径部１１及び第２大径部１２が、第１内周部３２及び第２内周部３３にそれぞれ対向している。これにより、図５（ａ）及び上記図４に示すように、ロータコア３０の外周部３１のＮ極の磁極部８ａ→第１連結部３４→第１内周部３２→磁性体１０の第１大径部１１、と径方向へ通過した後、さらに磁性体１０の第１大径部１１→第１小径部１３→第２大径部１２と軸方向へ通過し、さらに第２大径部１２→ロータコア３０の第２内周部３３→第２連結部３５→外周部３１のＳ極の磁極部８ｂという、前述の回転駆動力を生じる上記第１磁気回路Ｑ１とは別の磁気回路（以下適宜、「第２磁気回路」という）Ｑ２が形成される。なお、図５（ａ）において、第１連結部３４と第２連結部３５は、説明の便宜上、同一面上に図示しているが、実際は周方向にずれていて同一面上にはない（後述の図５（ｂ）も同様）。

＜１つの磁気回路が形成される状態＞
例えば、上記軸方向駆動機構６０により、磁性体１０が、図１及び図４に示す状態からシャフト体２０の空間２１内において上記軸方向一方側（図６中上側）に変位すると、図６に示すように、第１大径部１１は、シャフト体２０の空間２１の鍔部２２内の空間２１ａに位置する。この状態（以下適宜、「第２状態」という）では、磁性体１０の第１大径部１１及び第２大径部１２は、ロータコア３０の第１内周部３２及び第２内周部３３との上記対向を離脱した位置となる。この状態では、図５（ｂ）に示すように、上記第１大径部１１及び第２大径部１２と上記第１内周部３２及び第２内周部３３とがそれぞれ対向しなくなることから、上記第２磁気回路Ｑ２が消失する。なお、上記第１磁気回路Ｑ１はこの第２状態でも消失せず形成され、上記のように巻線４に電流が流されることで、ロータコア３０に回転力が発生する。

＜実施形態の作用効果＞
以上説明したように、本実施形態では、軸方向駆動機構６０が磁性体１０を軸方向に適宜に変位させることで、磁性体１０の第１大径部１１及び第２大径部１２にロータコア３０の第１内周部３２及び第２内周部３３をそれぞれ対向させて上記第２磁気回路Ｑ２が形成された上記第１状態と、それら第１大径部１１及び第２大径部１２と上記第１内周部３２及び第２内周部３３とが対向せず上記第２磁気回路Ｑ２が消失する上記第２状態と、を切り替えることができる。

これにより、例えば第２磁気回路Ｑ２の磁束密度を低くすることで上記第１磁気回路Ｑ１の磁束密度を高くしたり、第２磁気回路Ｑ２の磁束密度を高くすることで上記第１磁気回路Ｑ１の磁束密度を低くすることができる。また、変位量を適宜に調整することで上記第１状態及び第２状態の中間の状態も実現することができる。この結果、上記第１磁気回路Ｑ１の磁束密度を適宜に調整し、高トルクの特性や高速の特性を自在に実現することができる。このとき、上記のように、ロータの回転駆動に寄与する磁束密度自体を増減して調整を行うことができるので、ロータの回転駆動に寄与する磁気回路からの磁束の漏れ量を増減する手法と異なり、損失の発生を防止し効率向上を図ることができる。

なお、上記の第１実施形態は、上記の内容に限られず、種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略又は簡略化する。

（１）磁性体を多段にした場合
本変形例では、図７に示すように、磁性体１０Ａは、上記磁性体１０と同様の、上記軸方向一方側（図７中上側）の第１大径部１１、軸方向他方側（図７中下側）の第２大径部１２、及び、軸方向中間部に位置する第１小径部１３に加え、第２大径部１２のさらに軸方向他方側（言い換えれば後述の第２小径部１５よりもさらに軸方向他方側）に位置する第３大径部１４（第５柱状部に相当）と、第２大径部１２及び第３大径部１４の軸方向中間部に位置する第２小径部１５（第４柱状部に相当）と、を備えている。なお、第２小径部１５及び第３大径部１４が、第１延長部に相当している。

また、ロータコア３０Ａは、外周部３１の径方向内側の上記第２内周部３３よりさらに上記軸方向他方側に設けられ、上記第３大径部１４の径方向外側に対向可能な第３内周部３８と、第３内周部３８と外周部３１のＮ極磁極部８ａの配置部位とを径方向に連結する第３連結部３９と、を備えている。なお、第３内周部１５及び第３連結部１４が、第２延長部に相当している。また、磁性体３０Ａの軸方向駆動は、詳細な説明を省略するが、上記第１実施形態の軸方向駆動機構６０と同様の構成により行われる。

これにより、上記第１状態に相当する図７に示す状態では、前述と同様の、ロータコア３０Ａの外周部３１のＮ極の磁極部８ａ→第１連結部３４→第１内周部３２→磁性体１０Ａの第１大径部１１→第１小径部１３→第２大径部１２→ロータコア３０Ａの第２内周部３３→第２連結部３５→外周部３１のＳ極の磁極部８ｂの経路の第２磁気回路Ｑ２に加え、さらに、ロータコア３０Ａの外周部３１のＮ極の磁極部８ａ→第３連結部３９→第３内周部３８→磁性体１０Ａの第３大径部１４と径方向へ通過した後、さらに第３大径部１４→第２小径部１５→第２大径部１２と軸方向へ通過し、さらに第２大径部１２→ロータコア３０Ａの第２内周部３３→第２連結部３５→外周部３１のＳ極の磁極部８ｂという、上記第２磁気回路Ｑ２とは別の磁気回路（以下、適宜「第３磁気回路」と称す）Ｑ３が形成される。すなわち、前述したような第１磁気回路Ｑ１とは別の経路を構成する磁気回路が２組（上記第２磁気回路Ｑ２及びこれと同等の機能の磁気回路Ｑ３）形成されることとなる。

上記構成により、本変形例においては、回転電機１が軸方向に比較的長い構成となる場合であっても、前述と同様の磁束密度状態を確実に実現することができる。また、回転電機１の構成が軸方向に長い場合でなくても、前述のように第２磁気回路Ｑ２及びこれと同等の機能の磁気回路Ｑ３の２組が形成されることで、上記のように磁性体を軸方向に変位して回転電機特性を調整するときに、その変位量（ストローク）を短くすることができる。

なお、上記の例では、上記第１実施形態における、上記軸方向一方側の第１大径部１１、軸方向他方側の第２大径部１２、及び、軸方向中間部の第１小径部１３を備えた磁性体１０の構成に対し、第２小径部１５及び第３大径部１４を備えた１つの上記第１延長部を追加するとともに、上記軸方向一方側の第１内周部３２、上記軸方向他方側の第２内周部３３、第１内周部３２と外周部３１とを連結する第１連結部３４、及び、第２内周部３３と外周部３１とを連結する第２連結部３５、を備えたロータコア３０の構成に対し、第３内周部１５及び第３連結部１４を備えた上記第１延長部と同じ数である１つの上記第２延長部を、追加した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、上記第１延長部及び第２延長部を、上記第１実施形態の磁性体１０及びロータコア３０の構成の軸方向他方側に、複数段設けるようにしてもよい。この段数を増やすほど、上述のストローク短縮効果をさらに増加させることができる。

（２）大径部に永久磁石を設けた場合
本変形例では、図８に示すように、磁性体１０Ｂの第１大径部１１及び第２大径部１２の外周部に、リング状の永久磁石４０がそれぞれ設けられる。なお、リング状の永久磁石４０は、第１大径部１１及び第２大径部１２のうちの一方だけに設けてもよい。上記以外の構成は上記第１実施形態と同様である。

本変形例においては、上記構成により、磁性体１０Ｂを軸方向に変位させたときの磁束の変化量を大きくすることができる。

なお、上記変形例（１）のように、磁性体１０Ｂに、第１大径部１１、第２大径部１２及び第３大径部１４が設けられる場合には、そのいずれか１つ又は２つ、あるいは全部にリング状の永久磁石４０を設けることができる。この場合、本変形例と同様、磁性体を軸方向に変位させたときの磁束の変化量を大きくすることができる。

（３）小径部に永久磁石を設けた場合
本変形例では、図９に示すように、磁性体１０Ｃの小径部１３の外周部に、リング状の永久磁石４１が設けられる。上記以外の構成は上記第１実施形態と同様である。

本変形例においては、上記構成により、上記変形例（２）と同様、磁性体１０Ｃを軸方向に変位させたときの磁束の変化量を大きくすることができる。

なお、上記変形例（１）のように、磁性体１０Ｃに、第１小径部１３及び第２小径部１５が設けられる場合には、いずれか一方又は両方に平板状の永久磁石４１を設けることができ、この場合も、本変形例と同様の効果を奏する。

（４）磁性体を分割構造とする場合
すなわち、図１０（ａ）に示すように、本変形例の回転電機１Ｄでは、磁性体１０Ｄは、第１大径部１１を備えた軸方向一方側（図１０（ａ）中上側）の第１ピース１０ａと、第２大径部１２を備えた軸方向他方側（図１０（ａ）中下側）の第２ピース１０ｂと、に分割された構造となっている（以下適宜、これら第１及び第２ピース１０ａ，１０ｂを総称して単に「磁性体１０Ｄ」という）。第１ピース１０ａの第１大径部１１の軸方向他方側には上記第１実施形態の第１小径部１３に相当する第１小径部１３ａが設けられ、第２ピース１０ｂの第２大径部１２の軸方向一方側には上記第１実施形態の第１小径部１３に相当する第１小径部１３ｂが設けられている。

軸方向駆動機構６０Ｄは、上記第１ピース１０ａ及び上記第２ピース１０ｂの軸心部を貫通しつつ螺合するボールねじ６４を備えている。例えば、ボールねじ６４の軸方向一方側の第１ピース１０ａを貫通するねじ部６４ａには右ねじが切られており、ボールねじ６４の軸方向他方側の第２ピース１０ｂを貫通するねじ部６４ｂには左ねじが切られている。ガイドロッド６３は、上記第１ピース１０ａ及び上記第２ピース１０ｂからなる上記磁性体１０Ｄの上記第１大径部１１及び第２大径部１２に係合する。磁性体１０Ｄは、上記ガイドロッド６３によって、上記軸方向への移動が許容されつつ、軸回りの回転が阻止される。

上記のような軸方向駆動機構６０Ｄの構成により、例えば、モータ６２の回転駆動によってボールねじ６４が右回りに回転すると、シャフト体２０の空間２１内において、図１０（ｂ）に示すように、第１ピース１０ａは軸方向一方側（図１０（ｂ）中上側）に移動し、第２ピース１０ｂは軸方向他方側（図１０（ｂ）中下側）に移動する。一方、モータ６２の回転駆動によりボールねじ６４が左回りに回転すると、図１０（ａ）に示すように、シャフト体２０の空間２１内において、第１ピース１０ａは上記軸方向他方側に移動し、第２ピース１０ｂは上記軸方向一方側に移動する。すなわち、本変形例においては、第１ピース１０ａが軸方向一方側に変位するときは第２ピース１０ｂが軸方向他方側に変位し、第１ピース１０ａが軸方向他方側に変位するときは第２ピース１０ｂが軸方向一方側に変位するように、これら第１及び第２ピース１０ａ，１０ｂが互いに軸方向反対側に駆動される。

これにより、上記実施形態と同様、第１大径部１１及び第２大径部１２に第１内周部３４及び第２内周部３５をそれぞれ対向させて上記第２磁気回路Ｑ２が形成される第１状態（図１０（ａ）参照）と、上記第１状態から軸方向駆動機構６０Ｄによって第１ピース１０ａ及び第２ピース１０ｂを軸方向に互いに離反する方向に変位させて、上記第２磁気回路Ｑ２が消失する第２状態（図１０（ｂ）参照）と、を切り替えることができる。この結果、上記実施形態と同様、上記第１磁気回路Ｑ１の磁束密度を適宜に調整することができるので、損失の発生を防止しつつ高トルクの特性や高速の特性を自在に実現することができる。

また、上記に加え、以下のような効果もある。すなわち、上記実施形態のように分割されない一体構造の磁性体１０Ｄを軸方向片側に変位させることで上記第１状態から第２状態に切り替える場合、磁性体１０Ｄとロータコア３０との間に磁気的反発力が生じ、シャフト体２０にも上記軸方向片側へ移動しようとする力が加わる場合がある。この場合、シャフト体２０を回転自在に支持する軸受７ａ，７ｂにおいて当該移動に耐えうる大きな剛性が必要となる。これに対して、本変形例では、分割された２つのピース１０ａ，１０ｂを互いに離反させて第２状態に切り替えることにより、第１ピース１０ａ側において生じた磁気的反発力によりシャフト体２０に加わる力と、第２ピース１０ｂ側において生じた磁気的反発力によりシャフト体２０に加わる力とが、ちょうど逆向きとなる。この結果、それら２つの力が互いに相殺されるので、上記のような軸受の剛性の増大が不要となる。

次に、第２実施形態を図１１を用いて説明する。なお、上記第１実施形態及び各変形例と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略又は簡略化する。本実施形態では、外・内筒の二重構造の磁性体において内筒を回転させることで、磁気回路が制御される。図１１（ａ）は、この第２実施形態における磁性体、ロータコアを示す概念的軸方向断面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中Ｆ−Ｆ′断面による横断面図である。なお、図１１（ａ）は、図１１（ｂ）のＤ−Ｄ′断面による縦断面図に相当している。

＜磁性体の構成＞
この実施形態における磁性体１０′は、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、軸方向一方側（各図中の上側）に設けられた、略円筒形状の第１外筒部１１Ａと、軸方向他方側（各図中の下側）に設けられた、略円筒形状の第２外筒部１２Ａと、上記第１外筒部１１Ａ及び上記第２外筒部１２Ａの径方向内側に位置し、回転可能に配置された回転部１７と、を有している。

第１外筒部１１Ａは、それぞれが径方向内側に突出する、複数の第１内歯部１１ａを備えている。なお、第１外筒部１１Ａの外径は、前述した第１大径部１１に相当している。第２外筒部１２Ａは、それぞれ径方向内側に突出する複数の第２内歯部１２ａを備えている。なお、第２外筒部１２Ａの外径は、前述した第２大径部１２に相当している。

回転部１７は、第１外筒部１１Ａ及び第２外筒部１２Ａの軸方向中間部に、中間連結部１３Ａを備えている。このとき、中間連結部１３Ａの外径は、前述した上記第１小径部１３に相当している。また回転部１７の上記軸方向一方側には、上記複数の第１内歯部１１ａに対し対向可能にそれぞれ径方向外側に突出する複数の第１外歯部１７ａが備えられており、回転部１７の上記軸方向他方側には、上記複数の第２内歯部１２ａに対し対向可能にそれぞれ径方向外側に突出する複数の第２外歯部１７ｂが備えられている。

この図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示した状態では、回転部１７の第１外歯部１７ａが第１外筒部１１Ａの第１内歯部１１ａに対向し、かつ回転部１７の第２外歯部１７ｂが第２外筒部１２Ａの第２内歯部１２ａに対向している。この状態（以下適宜、「第３状態」という）では、磁性体１０′内において、第１外筒部１１Ａの第１内歯部１１ａ→回転部１７の第１外歯部１７ａ→中間連結部１３Ａ→第２外歯部１７ｂ→第２外筒部１２Ａの第２内歯部１２ａの経路Ｒ（図１１（ａ）参照）で磁束を通過させることができる。これにより、前述のように第１大径部１１及び第２大径部１２にロータコア３０の第１内周部３２及び第２内周部３３をそれぞれ対向させることで、前述した第２磁気回路Ｑ２を形成することができる。

＜回転部の回転動作＞
一方、上記構成において、上記回転部１７は、回転駆動機構６５（第２駆動手段に相当）によって回転駆動され、軸心周りに回転することができる。図１１（ｃ）は、回転後の磁性体、ロータコアを示す概念的軸方向断面図であり、図１１（ｄ）は、図１１（ｂ）中Ｇ−Ｇ′断面による横断面図である。なお、図１１（ｃ）は、図１１（ｄ）のＥ−Ｅ′断面による縦断面図に相当している。

回転駆動機構６５は、図１１（ｃ）に示すように、例えばステッピングモータからなるモータ６６と、モータ６６のモータ軸の上記軸方向一方側に固定されるとともに、上記回転部１７の軸心に取り付けた回転軸６７と、を備えている。なお、上記図１１（ａ）においては、図示の煩雑防止のために回転駆動機構６５の図示を省略している。モータ６７が回転軸６７を介して回転部１７を回転することで、回転部１７を回転方向に変位することができる。回転後の図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示した状態では、回転部１７のうち、隣接した２つの第１外歯部１７ａ同士の間の歯間部１７ｃ１が、第１外歯部１１Ａの上記第１内歯部１１ａに対向し、かつ、隣接した２つの第２外歯部１７ｂ同士の間の歯間部１７ｃ２が、第２外歯部１２Ａの上記第２内歯部１２ａに対向している。この結果、上記第１外歯部１７ａと上記第１内歯部１１ａとの対向、及び、上記第２外歯部１７ｂと第２内歯部１２ａとの対向がなくなり、上記第２磁気回路Ｑ２が消失する状態（以下適宜、「第４状態」という）に切り替えられることとなる。またこのとき、上記回転駆動機構６５による回転方向の変位量を適宜に調整することで、上記第３状態及び第４状態の中間の状態も実現することもできる。以上の結果、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様、上記第１磁気回路Ｑ１の磁束密度を適宜に調整し、損失の発生を防止しつつ高トルクの特性や高速の特性を自在に実現することができる。

次に、第３実施形態を図１２乃至図１４により説明する。なお、上記第１及び第２実施形態並びに各変形例と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略又は簡略化する。本実施形態では、磁性体の周囲に巻線が巻回され、磁束が生成される。

図１２〜図１４において、本実施形態の回転電機１では、シャフト体２０の空間２１に収容された磁性体１０″の第１小径部１３の周囲に、磁束を生成可能な巻線９（第２巻線に相当）が巻回されている（図１４（ｂ）も参照）。空間２１に収容された上記磁性体１０″は、軸方向一方側（図１２中上側）部分をシャフト体２０の鍔部２２に回転自在に支持されている。また、本実施形態では、上記第１及び第２実施形態のような軸方向駆動機構や回転駆動機構が設けられておらず、磁性体１０″の軸方向他方側（図１２中下側）の部分（言い換えれば第２大径部１２）が、ケース３の底壁部３ｂに一体的に固定されている。

シャフト体２０の中空の円筒体部２３は、軸方向一方側の天板部２３ａと軸方向他方側の底壁部２３ｂとの間が、周方向に沿った複数本の支柱２６で連結されている。隣り合う２つの支柱２６，２６同士の間には、開口部２７が設けられている。円筒体部２３の軸方向一方側に設けられる鍔部２２は、中実の小円筒体形状に形成されている。

ロータコア３０は、第１連結部３４及び第２連結部３５を上記円筒体部２３の開口部２７に嵌合した状態で、シャフト体２０の天板部２３ａ及び底壁部２３ｂに固定されている。

上記以外の構成は、上記第１実施形態と同様であり、説明を省略する。

本実施形態においては、磁性体１０″の第１小径部１３に設けた巻線９に通電することで、上記のようにしてロータコア３０を通過する第１磁気回路Ｑ１の磁束密度を強めたり弱めたりすることができる。この結果、上記第１及び第２実施形態と同様、上記第１磁気回路Ｑ１の磁束密度を適宜に調整し、損失の発生を防止しつつ高トルクの特性や高速の特性を自在に実現することができる。

なお、この第３実施形態に前述の変形例（２）の構成を適用し、磁性体１０″を第１小径部１３及び第２小径部１５を有する多段形状とすることもできる。この場合には、第１小径部１３に巻線９を巻回するのみならず、第２小径部１５にも同様の巻線を巻回することで、巻線が磁性体１０″に触れる表面積を増大でき、巻線の冷却が容易となる効果がある。また、上述と同様、前述の第１延長部及び第２延長部を、上記第１実施形態の磁性体１０及びロータコア３０の構成の軸方向他方側に、複数段設けるようにしてもよい。この段数を増やすほど、上述の巻線の接触する表面積の増大効果をさらに増加させることができる。

次に、第４実施形態を図１５及び図１６により説明する。なお、上記第１〜３実施形態並びに各変形例と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略又は簡略化する。本実施形態では、各磁極部に補助永久磁石を設けてトルクの増大に寄与する磁気回路Ｑ１の磁束密度を強める。図１５は、この第４実施形態における回転電機のロータコア及びその内側を、軸方向横断面で見て内周角１３５°の扇形に切断した半体を斜視で表した図である。図１６（ａ）〜図１６（ｂ）は、それぞれ上記図３（ａ）〜図３（ｃ）に対応する軸方向横断面を表した図である。

＜外周部の構成＞
図１５、図１６において、本実施形態の回転電機１では、ロータコア３０の外周部３１において、Ｎ極磁極部８ａとＳ極磁極部８ｂのそれぞれに平板形状の補助永久磁石３１ｂを設けている。本実施形態の例ではＮ極磁極部８ａ及びＳ極磁極部８ｂのそれぞれにおいて、第１連結部３４又は第２連結部３５と重複しない軸方向範囲（図１５中の「連結部非重複範囲」）の全体にわたって補助永久磁石３１ｂが配置されている。また各補助永久磁石３１ｂは、平板形状の厚み方向を径方向に向けて、Ｎ極磁極部８ａ又はＳ極磁極部８ｂの外周側に配置されている。各補助永久磁石３１ｂは、隣接する永久磁石３１ａが形成する第１磁気回路Ｑ１の磁束の向きと同じ方向に磁化されている。

上記以外の構成は、上記第１実施形態と同様であり、説明を省略する。

＜補助永久磁石の機能＞
回転電機１のトルクを増大させる一方策として、ロータコア３０に備える永久磁石を増量しステータコア５０へ向けて放出する磁気回路Ｑ１の磁束の密度を強める手法がある。しかし、ロータコア３０全体の体格（直径）を大型化せずに その内部に永久磁石を追加できる位置には制限がある。また、ロータコア３０の内周側には上述した磁束密度調整構造が備えられており、外周部３１に設けられる永久磁石はそのような磁束密度調整構造により形成される磁気回路Ｑ２に対して磁気抵抗等の影響を与えることがないよう配慮する必要がある。

ここで一般的なＩＰＭ構成であるロータコア３０では、上述したように磁性体からなる外周部３０において平板形状の永久磁石３０ａが周方向に複数配置されている。そのうち断面八の字領域を挟む２つの永久磁石３１ａが周方向で相互に対向する方向に磁化されていることにより、これら２つの永久磁石３１ａに挟まれた区画がＮ極磁極部８ａ、Ｓ極磁極部８ｂとなってロータコア３０の径方向外方及び径方向内方の両方向に向けて磁束を放出しようとする。例えばＮ極の極性方向で対向する２つの永久磁石３１ａの間の区画がＮ極磁極部８ａとなり、そこからロータコア３０の径方向外方と径方向内方のそれぞれにＮ極性を向けた磁束を放出しようとする。またＳ極の極性方向で対向する２つの永久磁石３１ａの間の区画がＳ極磁極部８ｂとなり、そこからロータコア３０の径方向外方と径方向内方のそれぞれにＳ極性を向けた磁束を放出しようとする。

しかし、Ｎ極磁極部８ａ及びＳ極磁極部８ｂそれぞれの連結部非重複範囲において実際に形成される磁気回路としては、たとえ第１状態であってもその径方向内方に通じる第２磁気回路Ｑ２は形成されずに、常に径方向外方に通じる第１磁気回路Ｑ１だけが形成される。これは外周部３１とステータコア５０の間が狭い磁気的間隙を介して常に磁束の通過を許容している一方、外周部３１と第１、第２内周部３２，３３の間はシャフト体２０のスリット２５における広い間隙で隔てられているため（つまり各連結部３４，３５と連結していないため）常に磁束の通過を許容していないことによる（図１６（ａ）、図１６（ｃ）参照）。

本実施形態では、外周部３１のＮ極磁極部８ａ及びＳ極磁極部８ｂのそれぞれの連結部非重複範囲において、隣接する永久磁石３１ａが形成する第１磁気回路Ｑ１の磁束の向きと同じ方向に磁化された補助永久磁石３１ｂを備えている（図１６（ａ）、図１６（ｃ）中の拡大部参照）。これにより、ロータコア３０の外周側のステータコア５０に向けて形成する磁気回路Ｑ１の磁束密度を強めることができ、当該回転電機１のトルクを増大できる。

また、上記の磁束密度調整構造により形成される磁気回路Ｑ２は、外周部３１のＮ極磁極部８ａ及びＳ極磁極部８ｂに対し、第１連結部３４又は第２連結部３５と重複する軸方向範囲（図１５中の「連結部重複範囲」）を介して径方向に進出又は進入する。そこで本実施形態では、上述した極性方向に磁化された補助永久磁石３１ｂを、Ｎ極磁極部８ａ及びＳ極磁極部８ｂのそれぞれにおける第１連結部３４又は第２連結部３５と重複しない軸方向範囲に備えている。これにより、各補助永久磁石３１ｂから径方向に放出される磁束は、各連結部３４、３５中を通過する磁気回路Ｑ２の磁束と対向することがなく、連結部非重複範囲で直交するだけとなる。つまり補助永久磁石３１ｂが放出する磁束は、磁束密度調整構造により形成される磁気回路Ｑ２の磁束に対して磁気抵抗を与えることがなくなり、磁束密度調整機能への影響を抑えることができる。この結果、体格の大型化と磁束密度調整機能への影響を回避しつつ、回転電機１のトルクを増大できる。また、本実施形態の構成によれば、補助永久磁石３１ｂを設けても磁束密度調整機能の可変幅を損なうことはない。

なお本実施形態では、各補助永久磁石３１ｂを連結部非重複範囲の全体にわたって配置した。しかしこれに限られず、連結部非重複範囲内であれば補助永久磁石３１をどのような長さで、どの軸方向位置に配置してもよい。そのうち特に、各連結部３４、３５と軸方向逆側でＮ極磁極部８ａ又はＳ極磁極部８ｂと端部を揃えて配置することが望ましい。このように補助永久磁石３１ｂを各連結部３４、３５から最も離間した位置に配置することで、磁気回路Ｑ２の径方向経路に対する磁気抵抗を最も小さくできる。また、各補助永久磁石３１ｂの軸方向長さを同じ寸法に設定し、Ｎ極磁極部８ａ又はＳ極磁極部８ｂとで軸方向一方側と軸方向他方側に対称的に配置することにより、周方向での磁束密度分布のバランスが良好となる。

また、各補助永久磁石３１ｂが、Ｎ極磁極部８ａ又はＳ極磁極部８ｂの略外周側に配置されていることで ロータコア３０の外周側に位置するステータコア５０に対して最も磁束密度を強めることができ、最もトルクを増大できる。

なお、この第４実施形態に前述の第３実施形態の構成を組み合わせてもよい。つまり、上記図１４及び図１６に対応する軸方向横断面の図１７（ａ）〜図１７（ｃ）に示すように、磁性体１０″の第１小径部１３の周囲に磁束を生成可能な巻線９を巻回するとともに、外周部３１のＮ極磁極部８ａ及びＳ極磁極部８ｂのそれぞれの連結部非重複範囲において補助永久磁石３１ｂを備える。この場合でも、第１磁気回路Ｑ１の磁束密度調整機能を実現できるとともに、体格の大型化と磁束密度調整機能への影響を回避しつつ、回転電機１のトルクを増大できる。

また、以上では、第１柱状部、第２柱状部、及び第３柱状部を、第１大径部１１、第２大径部１２、第１小径部１３によってそれぞれ構成し、また第５柱状部及び第４柱状部を、第３大径部１４及び第２小径部１５によってそれぞれ構成したが、これに限られない。上述の手法を用いて第１磁気回路Ｑ１の磁束密度を高低調整できる限りにおいて、上記各部の径の関係が大小逆になったり、隣接しないものどうしが同径になったりする構成としてもよい。

なお、以上では、回転電機１が、ロータコア３０をステータコア５０の内側に備えたインナーロータ型である場合を一例として説明したが、ステータコアをロータコアの外側に備えたアウターロータ型の回転電機に対しても適用可能である。さらに、以上では、回転電機１が電動機（より詳しくは同期電動機）である場合を一例として説明したが、回転電機１が発電機である場合にも適用することができる。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態及び変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態及び変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 回転電機
４ 巻線（第１巻線）
７ａ，７ｂ 軸受
８ａ Ｎ極（第１極）磁極部
８ｂ Ｓ極（第２極）磁極部
９ 巻線（第２巻線）
１０ 磁性体
１０Ａ〜Ｄ 磁性体
１０′ 磁性体
１０″ 磁性体
１０ａ 第１ピース
１０ｂ 第２ピース
１１ 第１大径部（第１柱状部）
１１ａ 第１内歯部
１１Ａ 第１外筒部
１２ａ 第２内歯部
１２Ａ 第２外筒部
１２ 第２大径部（第２柱状部）
１３ 第１小径部（第３柱状部）
１４ 第３大径部（第５柱状部）
１５ 第２小径部（第４柱状部）
１７ 回転部
２０ シャフト体
２１ 空間
３０ ロータコア
３１ 外周部
３１ａ 永久磁石
３１ｂ 補助永久磁石
３２ 第１内周部
３３ 第２内周部
３４ 第１連結部
３５ 第２連結部
４０ 永久磁石
４１ 永久磁石
５０ ステータコア
６０ 軸方向駆動機構（第１駆動手段）
６５ 回転駆動機構（第２駆動手段）

Claims (10)

1. 軸方向一方側に位置する第１柱状部、軸方向他方側に位置する第２柱状部、及び、前記第１柱状部及び前記第２柱状部の軸方向中間部に位置する第３柱状部、を少なくとも備えた、磁性体と、
   前記磁性体を収納可能な空間を備え、回転可能なシャフト体と、前記シャフト体に固定されるとともに、互いに径方向に対する極性方向が異なる第１極磁極部及び第２極磁極部を周方向に沿って交互に配列した外周部、前記外周部の径方向内側の前記軸方向一方側に設けられ前記第１柱状部の径方向外側に対向可能な第１内周部、前記外周部の径方向内側の前記軸方向他方側に設けられ前記第２柱状部の径方向外側に対向可能な第２内周部、前記第１内周部と前記外周部の前記第１極磁極部の配置部位とを径方向に連結する第１連結部、及び、前記第２内周部と前記外周部の前記第２極磁極部の配置部位とを径方向に連結する第２連結部、を備えた、ロータコアと、
   前記ロータコアの径方向外側に設けられたステータコアと、
   前記ステータコアに設けられた第１巻線と、を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記磁性体を、前記シャフト体の前記空間内において軸方向に変位可能な第１駆動手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記磁性体は、
   前記第１柱状部を備えた前記軸方向一方側の第１ピースと、
   前記第２柱状部を備えた前記軸方向他方側の第２ピースと、
   に分割された構造であり、
   前記第１駆動手段は、
   前記第１ピースを前記軸方向一方側に変位させるときは前記第２ピースを前記軸方向他方側に変位させ、前記第１ピースを前記軸方向他方側に変位させるときは前記第２ピースを前記軸方向一方側に変位させる
   ことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
4. 前記磁性体の前記第３柱状部に、磁束を生成可能な第２巻線を巻回した
   ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
5. 前記磁性体は、
   前記第２柱状部のさらに前記軸方向他方側に位置する第４柱状部と、前記第４柱状部のさらに前記軸方向他方側に位置する第５柱状部と、を備えた第１延長部を、少なくとも１つ、前記第２柱状部のさらに前記軸方向他方側に備えており、
   前記ロータコアは、
   前記外周部の径方向内側の前記第２内周部よりさらに前記軸方向他方側に設けられ前記第５柱状部の径方向外側に対向可能な第３内周部と、前記第３内周部と前記外周部の前記第１極磁極部の配置部位とを径方向に連結する第３連結部と、を備えた、前記第１延長部と同じ数の第２延長部を、前記第２柱状部のさらに前記軸方向他方側に備えている
   ことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の回転電機。
6. 第１柱状部、第２柱状部、第５柱状部の少なくとも１つの外周部に永久磁石を設けるか、若しくは、第３柱状部、第４柱状部の少なくとも１つの外周部に永久磁石を設けた
   ことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項記載の回転電機。
7. 前記磁性体は、
   それぞれ径方向内側に突出する複数の第１内歯部を備え、前記軸方向一方側に設けられ、外径が前記第１柱状部を構成する略円筒形状の第１外筒部と、
   それぞれ径方向内側に突出する複数の第２内歯部を備え、前記軸方向他方側に設けられ、外径が前記第２柱状部を構成する略円筒形状の第２外筒部と、
   前記複数の第１内歯部に対し対向可能にそれぞれ径方向外側に突出する複数の第１外歯部を前記軸方向一方側に備え、前記複数の第２内歯部に対し対向可能にそれぞれ径方向外側に突出する複数の第２外歯部を前記軸方向他方側に備え、前記第１外筒部及び前記第２外筒部の軸方向中間部に外径が前記第３柱状部を構成する中間連結部を備え、回転可能に配置された回転部と、
   を有しており、
   かつ、
   前記回転部を、回転方向に駆動可能な第２駆動手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
8. 前記ロータコアは、
   前記外周部の前記第１極磁極部及び前記第２極磁極部の少なくとも一方において、前記第１連結部又は前記第２連結部と重複しない軸方向範囲に、隣接する永久磁石が形成する磁気回路の磁束の向きと同じ方向に磁化された補助永久磁石を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記補助永久磁石は、
   前記第１連結部又は前記第２連結部と軸方向逆側で前記第１極磁極部又は前記第２極磁極部と端部を揃えて配置されていることを特徴とする請求項８記載の回転電機。
10. 前記補助永久磁石は、
    前記第１極磁極部又は前記第２極磁極部の略外周側に配置されていることを特徴とする請求項８又は９記載の回転電機。
    

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