JPWO2015068846A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を大幅に簡易化した可変界磁型の回転電機を実現する。【解決手段】回転電機１は、固定子巻線７及び固定子鉄心５を備えた固定子３と、回転自在に支持されたシャフト１０、シャフト１０に相対回転可能に装着された回転子鉄心２０、及び、回転子鉄心２０に設置された複数の第１永久磁石２１、を備えた回転子３と、を有し、回転子鉄心２０は、永久磁石２１の磁気吸引力によりシャフト１０に対し所定の角度位置で保持されると共に、負荷トルクの増大に応じてシャフト１０との相対角度が磁気吸引力に抗して増大するように構成され、かつ軸方向長さが固定子鉄心５と実質的に等しい。

Description

開示の実施形態は、可変界磁型の回転電機に関する。

特許文献１には、低回転域では高トルクを得ることができ、かつ高回転域まで回転し得るモータが記載されている。このモータは、内回転子及び外回転子が一体となって回転する回転子と、外回転子の内回転子に対する回転方向の位相を変更する回転子位相制御機構と、を備えている。

特開２００４−０７２９７８号公報

上記従来技術では、回転方向の位相を変更する回転子位相制御機構が回転子に付加されるため、構造が複雑化するという問題があった。

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、構造を簡易化できる可変界磁型の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、界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機であって、固定子巻線及び固定子鉄心を備えた固定子と、回転自在に支持されたシャフト、前記シャフトに相対回転可能に装着された回転子鉄心、及び、前記回転子鉄心に設置された複数の第１永久磁石、を備えた回転子と、を有し、前記回転子鉄心は、前記第１永久磁石の磁気吸引力により前記シャフトに対し所定の角度位置で保持されると共に、負荷トルクの増大に応じて前記シャフトとの相対角度が前記磁気吸引力に抗して増大するように構成され、かつ軸方向長さが前記固定子鉄心と実質的に等しい回転電機が適用される。

また、本発明の別の観点によれば、界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機であって、固定子巻線及び固定子鉄心を備えた固定子と、回転自在に支持されたシャフト、前記シャフトに相対回転可能に装着され軸方向長さが前記固定子鉄心と実質的に等しい回転子鉄心、及び、前記回転子鉄心に設置された複数の永久磁石、を備えた回転子と、前記永久磁石の磁気吸引力により前記回転子鉄心を前記シャフトに対し所定の角度位置に保持すると共に、負荷トルクの増大に応じて前記シャフトと前記回転子鉄心との相対角度が前記磁気吸引力に抗して増大するように、前記シャフトと前記回転子鉄心とを相対回転可能に連結する手段と、を有する回転電機が適用される。

本発明によれば、界磁磁束を変化させるための回転子位相制御機構が不要となり、構造を大幅に簡易化した可変界磁型の回転電機を実現できる。

第１実施形態の回転電機の構成を表す軸方向断面図である。 回転電機の構成を表す径方向断面図である。 回転子及びシャフト側永久磁石の構成を表す径方向断面図である。 円筒部材及び負荷側側板の構成を表す径方向断面図である。 負荷側側板の構成を表す平面図である。 負荷トルクに応じて界磁磁束が変化する原理を説明するための説明図である。 負荷トルクに応じて界磁磁束が変化する原理を説明するための説明図である。 負荷トルクに応じて界磁磁束が変化する原理を説明するための説明図である。 第１実施形態の回転電機、第１比較例のモータ、及び第２比較例のモータの回転速度と出力トルクとの関係を表すグラフである。 第１実施形態の回転電機、第１比較例のモータ、及び第２比較例のモータの出力トルクと効率との関係を表すグラフである。 突起部相互間に弾性体を配置する変形例における円筒部材及び負荷側側板の構成を表す径方向断面図である。 回転位置被検出器を反負荷側側板に配置する変形例の回転電機の構成を表す軸方向断面図である。 第２実施形態における回転子及びシャフトの構成を表す径方向断面図である。 負荷トルクに応じて界磁磁束が変化する原理を説明するための説明図である。 負荷トルクに応じて界磁磁束が変化する原理を説明するための説明図である。

以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。

＜１．第１実施形態＞
まず、第１実施形態について説明する。

（１−１．回転電機の構成）
まず、図１〜図５を参照しつつ、本実施形態の回転電機の構成について説明する。なお、図１〜図５中に示す回転電機の各構成の状態は、負荷トルクが小さい場合に対応する。

図１〜図５に示すように、本実施形態の回転電機１は、略円筒状の固定子２と、シャフト１０を備えた回転子３とを有する。

回転電機１は、この例では、固定子２の内部に回転子３が配置された、いわゆるインナーロータ型のモータである。また、回転電機１は、界磁磁束を変化させる可変界磁型のモータである。回転電機１は、シャフト１０と回転子３の回転子鉄心２０（後述）との相対角度を変化させる（増大する）ための回転子位相制御機構を有していない。

固定子２は、略円筒状のフレーム４の内周に固定されている。フレーム４の軸方向負荷側（図１中右側）には、負荷側ブラケット１１が設けられている。フレーム４の軸方向反負荷側（図１中左側）には、反負荷側ブラケット１３が図示しないボルトによりフレーム４に固定されている。また、固定子２は、複数（図示の例では１２個）の固定子鉄心５と、固定子鉄心５と同数の固定子巻線７とを有する。

なお、本明細書において「負荷側」とは回転電機１の回転力出力側、すなわちこの例ではシャフト１０が突出する方向（図１中右側）を指し、「反負荷側」とは回転力出力側の反対側、すなわちこの例では回転電機１に対して回転位置検出部１８が配置される方向（図１中左側）を指す。

複数の固定子鉄心５は、フレーム４の内周に対し円周方向に沿って固定されている。各固定子鉄心５は、ボルトＢ１により負荷側ブラケット１１の軸方向内側の表面に固定されている。ボルトＢ１は、固定子鉄心５の軸方向反負荷側から固定子鉄心５を貫通し、負荷側ブラケット１１に螺合している。また、各固定子鉄心５は、略円弧状のヨーク部５１と、ヨーク部５１から内周側に突出したティース部５２とを備える。

各固定子巻線７は、各固定子鉄心５のティース部５２に装着されている。

回転子３は、固定子２の内周面と径方向に磁気的空隙を介して対向するように、固定子２の内部に配置されている。回転子３は、略円筒状の回転子鉄心２０と、回転子鉄心２０の内部に同軸となるように配置されたシャフト１０と、複数（図示の例では１０個）の永久磁石２１（第１永久磁石の一例に相当。以下適宜「回転子側永久磁石２１」という）とを備える。シャフト１０は、固定子２の径方向内側で、軸方向（図１中左右方向）に延びる軸心ｋ周りに回転自在に支持される。なお、各図において永久磁石２１のハッチングが施された側がＮ極側であり、その反対側がＳ極側である。

回転子鉄心２０は、その軸方向長さが固定子鉄心５と実質的に等しく形成されている。また、回転子鉄心２０は、後述の複数の永久磁石８の外周に装着され、固定子２に対し軸心ｋ周りに回転可能であると共に、シャフト１０、後述の円筒部材６、及び複数の永久磁石８に対し軸心ｋ周りに相対回転可能である。なお、後述のように複数の永久磁石８はシャフト１０に連結されているので、回転子鉄心２０は、シャフト１０に相対回転可能に装着されているとも言える。

複数の回転子側永久磁石２１は、回転子鉄心２０の内部に配置され、回転子鉄心２０の回転と共に回転する。すなわち、回転子３は、複数の回転子側永久磁石２１が回転子鉄心２０に埋め込まれた、いわゆるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）型のモータとして構成されている。また、複数の回転子側永久磁石２１は、回転方向に隣り合う回転子側永久磁石２１の同じ磁極同士（Ｎ極同士又はＳ極同士）が互いに対向するように、回転子鉄心２０の内部に軸心ｋを中心とした放射状に配置されている（いわゆるＩ字形配置）。

また、回転子鉄心２０には、複数の回転子側永久磁石２１により当該回転子側永久磁石２１の相互間に磁極部２０ａが構成されている。

シャフト１０の外周における回転子鉄心２０と径方向に対向する位置には、円筒部材６が、シャフト１０と同軸となるように固定されている。円筒部材６は、シャフト１０の回転と共に回転する。この円筒部材６の外周における回転子鉄心２０と径方向に対向する中間部６ｂには、回転子鉄心２０に構成された複数の磁極部２０ａと同数の永久磁石８（第２永久磁石の一例に相当。以下適宜「シャフト側永久磁石８」という）が、回転方向に沿って交互に極性が異なる（Ｎ極→Ｓ極→Ｎ極→Ｓ極→・・・となる）ように、等間隔で設置されている。なお、各図において永久磁石８のハッチングが施された側がＮ極側であり、その反対側がＳ極側である。

上記回転子鉄心２０は、負荷トルクが小さいときには、回転子側永久磁石２１の磁気吸引力により、シャフト１０に対し所定の角度位置で保持される。具体的には、回転子鉄心２０は、負荷トルクが小さいときには、シャフト１０に対し、互いに極性が異なる磁極部２０ａとシャフト側永久磁石８とが径方向に正対する角度位置で、それらの磁気吸引力によって保持される。そして、回転子鉄心２０は、負荷トルクの増大に応じてシャフト１０との相対角度が磁気吸引力に抗して増大するように構成されている（詳細は後述）。これにより、負荷トルクの大小に応じて、磁気吸引力との釣り合いによって界磁磁束を変化させることが可能である（詳細は後述）。

また、円筒部材６の外周における軸方向負荷側の端部及び反負荷側の端部には、それぞれ、側板１５（以下適宜「負荷側側板１５」という）及び側板１６（以下適宜「反負荷側側板１６」という）が、シャフト１０と同軸となるように装着されている。

負荷側側板１５は、回転子鉄心２０の軸方向負荷側の端部に固定され、負荷側ブラケット１１に外輪が嵌合された負荷側軸受１２により、軸心ｋ周りに回転自在に支持されている。一方、反負荷側側板１６は、回転子鉄心２０の軸方向反負荷側の端部に固定され、反負荷側ブラケット１３に外輪が嵌合された反負荷側軸受１４により、軸心ｋ周りに回転自在に支持されている。これら側板１５，１６は、回転子鉄心２０の回転と共に回転すると共に、シャフト１０、円筒部材６、及び複数のシャフト側永久磁石８に対し軸心ｋ周りに相対回転可能である。なお、上記のように円筒部材６はシャフト１０に固定されているので、側板１５，１６は、シャフト１０に相対回転可能に装着されているとも言える。

図５に示すように、負荷側側板１５の回転子鉄心２０側の表面、つまり軸方向反負荷側の表面には、複数の回転子側永久磁石２１の軸方向負荷側の端部がはめこまれる、回転子側永久磁石２１と同数の溝１５２が形成されている。また、負荷側側板１５の溝１５２相互間には、ボルト孔１５３が形成されている。一方、反負荷側側板１６の回転子鉄心２０側の表面、つまり軸方向負荷側の表面には、複数の回転子側永久磁石２１の軸方向反負荷側の端部がはめこまれる、回転子側永久磁石２１と同数の溝（図示せず。以下では、負荷側側板１５側の溝１５２と同符号で記載する）が形成されている。また、反負荷側側板１６の溝１５２相互間には、ボルト孔（図示せず。以下では、負荷側側板１５側のボルト孔１５３と同符号で記載する）が形成されている。

上記回転子鉄心２０は、各回転子側永久磁石２１の軸方向両端部が側板１５，１６の各溝１５２，１５２にはめこまれた状態で、複数のボルトＢ２により側板１５，１６の軸方向内側の表面に固定されている。各ボルトＢ２は、反負荷側側板１６の軸方向反負荷側から、反負荷側側板１６のボルト孔１５３と磁極部２０ａとを貫通し、負荷側側板１５のボルト孔１５３に螺合している。

また、回転電機１の軸方向反負荷側の端部には、回転位置被検出部品（図示せず）を検出することにより回転子３の位置（この例では磁極位置）を検出する回転位置検出部１８が設けられている。回転位置被検出部品は、特に図示はしていないが、シャフト１０に相対回転可能に装着された部品のいずれか、この例では、反負荷側側板１６の端部に装着されている。

回転電機１には、規制部材１００が設けられている。規制部材１００は、シャフト１０、円筒部材６、及び複数のシャフト側永久磁石８と、回転子鉄心２０、複数の回転子側永久磁石２１、及び側板１５，１６とが、軸心ｋ周りに相対回転する際の、シャフト１０と回転子鉄心２０との相対角度の変動範囲を、所定の角度範囲に規制するように構成されている。本実施形態では、規制部材１００は、以下のように構成されている。

図４に示すように、円筒部材６の軸方向負荷側端部６ｃ及び反負荷側端部６ａには、径方向外側に向けて突出した突起部６１（第１突起部の一例に相当）が、回転方向に沿って等間隔で例えば３箇所形成されている。

また、突起部６１の径方向外側には、負荷側側板１５及び反負荷側側板１６の内周に径方向内側に向けて当該突起部６１と係合可能な突起部１５１（第２突起部の一例に相当）が形成されている。

図４は、回転子鉄心２０が回転子側永久磁石２１の磁気吸引力によりシャフト１０に対し所定の角度位置で保持される状態での突起部６１及び突起部１５１の位置関係を示している。すなわち、突起部６１の回転方向両側には、突起部１５１との間に等しい大きさの空隙３０ａ及び空隙３０ｂが形成される。

空隙３０ａ及び空隙３０ｂは、磁極ピッチに等しくなるように形成されているので、シャフト１０と回転子鉄心２０との相対角度の変動範囲は、磁極ピッチの角度範囲に規制される。

なお、上記負荷側側板１５、反負荷側側板１６、複数の回転子側永久磁石２１、及び複数のシャフト側永久磁石８は、永久磁石の磁気吸引力により回転子鉄心をシャフトに対し所定の角度位置に保持すると共に、負荷トルクの増大に応じてシャフトと回転子鉄心との相対角度が磁気吸引力に抗して増大するように、シャフトと回転子鉄心とを相対回転可能に連結する手段の一例に相当する。

（１−２．負荷トルクの大小に応じて界磁磁束が変化する原理）
次に、図６〜図８を参照しつつ、負荷トルクの大小に応じて界磁磁束が変化する原理について説明する。

図６は、負荷トルクが小さい状態を示している。この状態では、回転子鉄心２０は、シャフト１０に対し、互いに極性が異なる磁極部２０ａとシャフト側永久磁石８とが径方向に正対する角度位置で、それらの磁気吸引力によって保持されている。この状態では、磁極部２０ａの磁束はシャフト側永久磁石８側に漏れるので、界磁磁束は小さくなる。

図７は、負荷トルクが中程度に増大した状態を示している。回転子鉄心２０は、負荷トルクの増大に応じて、シャフト１０との相対角度が磁気吸引力に抗して増大する。この状態では、磁極部２０ａとシャフト側永久磁石８との極性が一致する部分が増え、シャフト側永久磁石８側に漏れる磁極部２０ａの磁束が少なくなると共に、シャフト側永久磁石８により強められるようになるので、界磁磁束は中程度に大きくなる。

図８は、負荷トルクがさらに増大した状態を示している。この状態では、回転子鉄心２０とシャフト１０とが磁気吸引力に抗して相対回転して回転子鉄心２０とシャフト１０との相対角度がさらに増大し、磁極部２０ａとシャフト側永久磁石８との極性が一致する角度位置となっている。この状態では、シャフト側永久磁石８側に漏れる磁極部２０ａの磁束がほとんどなくなり、磁極部２０ａの磁束はシャフト側永久磁石８によりさらに強められるので、界磁磁束は最大となる。

（１−３．本実施形態による効果）
以上説明した本実施形態の回転電機１では、回転子３が、回転自在に支持されたシャフト１０と、シャフト１０に相対回転可能に装着された回転子鉄心２０と、回転子鉄心２０に設置された複数の回転子側永久磁石２１とを備える。回転子鉄心２０は、回転子側永久磁石２１の磁気吸引力によりシャフト１０に対し所定の角度位置で保持され、負荷トルクの増大に応じてシャフト１０との相対角度が磁気吸引力に抗して増大するように構成される。これにより、負荷トルクの大小に応じて、磁気吸引力との釣り合いによって界磁磁束を変化させることが可能となる。その結果、油圧揺動モータや電動制御機器等の、シャフト１０と回転子鉄心２０との相対角度を変化させて界磁磁束を変化させるための回転子位相制御機構が不要となるので、構造を大幅に簡易化した可変界磁型の回転電機１を実現できる。

なお、負荷トルクに応じて界磁磁束を変化させる構成として、例えば、回転子鉄心を軸方向に２分割し、一方をシャフトに固定された固定側鉄心とし、他方を固定側鉄心に対して相対回転可能な回動側鉄心とする構成が考えられる。この場合、回転子鉄心を軸方向に２分割しているので、分割しない場合に比べて利用可能な負荷トルクが半減してしまう。これに対し、本実施形態では、回転子鉄心２０の軸方向長さが固定子鉄心５と実質的に等しいので、上記構成に比べて負荷トルクを最大限に利用できる。その結果、磁気吸引力に反して界磁を増大させることが容易となる。

また、本実施形態では特に、複数のシャフト側永久磁石８がシャフト１０に回転方向に沿って交互に極性が異なるように固定される。シャフト側永久磁石８は、複数の回転子側永久磁石２１により回転子鉄心２０に構成される複数の磁極部２０ａと同数設けられる。

そして、負荷トルクが小さい場合には、回転子鉄心２０はシャフト１０に対し、互いに極性が異なる磁極部２０ａとシャフト側永久磁石８とが径方向に正対する角度位置で、それらの磁気吸引力によって保持される。これにより、磁極部２０ａの磁束はシャフト側永久磁石８側に漏れるので、界磁磁束を小さくすることができる。その結果、電源電圧に対して誘起電圧が小さくなり、高速回転が可能となる。また、固定子鉄心５で発生する鉄損を小さくして無負荷損失を低減できるので、高い効率を得ることができる。

一方、負荷トルクが増大するにつれて、回転子鉄心２０とシャフト１０との相対角度が増大し、互いに極性が一致する磁極部２０ａとシャフト側永久磁石８とが径方向に正対する角度位置に近づく。これにより、磁極部２０ａの磁束はシャフト側永久磁石８により次第に強められるので、界磁磁束を負荷トルクの増大に応じて大きくすることができる。その結果、出力トルクを高めることができる。また、トルク定数が大きくなることで電流値を低くすることができるので、高い効率を得ることができる。

図９に、本実施形態の回転電機１、界磁磁束が比較的大きい第１比較例のモータ、及び、界磁磁束が比較的小さい第２比較例のモータの回転速度と出力トルクとの関係を表すグラフを示す。なお、第１比較例と第２比較例のモータは界磁磁束が変化しないモータである。

図９に示すように、界磁磁束が大きい第１比較例のモータは、低速回転時に高いトルクを出力できるが、回転速度が増大するにつれて、電源電圧に対して誘起電圧が大きくなるので高速回転が困難である。界磁磁束が小さい第２比較例のモータは、高速回転が可能であるが、低速回転時に高いトルクを出力できない。これに対し、本実施形態の回転電機１は、負荷トルクの大小に応じて界磁磁束を変化させることができるので、低速回転時に高いトルクを出力でき、高速回転も可能である。

図１０に、本実施形態の回転電機１、界磁磁束が大きい上記第１比較例のモータ、及び、界磁磁束が小さい上記第２比較例のモータの出力トルクと効率との関係を表すグラフを示す。

図１０に示すように、界磁磁束が大きい第１比較例のモータは、高トルク時に高効率で駆動できるが、固定子鉄心で発生する鉄損が大きいので低トルク時に効率が低くなる。界磁磁束が小さい第２比較例のモータは、低トルク時に比較的高効率で駆動できるが、界磁磁束が小さいので高いトルクを出力できない。これに対し、本実施形態の回転電機１は、負荷トルクの大小に応じて界磁磁束を変化させることができるので、低トルク時から高トルク時まで高効率で駆動できる。

また、本実施形態では特に、複数の回転子側永久磁石２１が、回転方向に隣り合う回転子側永久磁石２１の同じ磁極同士が互いに対向するように回転子鉄心２０の内部に放射状に配置される。このような配置構成とすることにより、回転子側永久磁石２１の投入量を増大し、磁束を磁極部２０ａに集中させることが可能となり、小型で高性能な回転電機１を実現できる。

また、本実施形態では特に、次のような効果を得ることができる。すなわち、シャフト１０と回転子鉄心２０との間の回転トルクの伝達は、磁力と側板１５，１６等の部材とを介して行われる。このため、回転子鉄心２０と側板１５，１６とは回転方向にずれが生じないように強固に固定する必要がある。そこで本実施形態では、側板１５，１６の回転子鉄心２０側の表面に回転子側永久磁石２１がはめ込まれる溝１５２，１５２が形成される。側板１５，１６と回転子鉄心２０との連結はボルトＢ２により行われるが、回転子側永久磁石２１が溝１５２，１５２にはめ込まれることにより、回転子鉄心２０と側板１５，１６との回り止め機能をさらに高めることができる。

また、本実施形態では特に、規制部材１００によってシャフト１０と回転子鉄心２０との相対回転が規制される。これにより、高トルク時にはシャフト１０と回転子鉄心２０との間で回転トルクを伝達することができる。また、規制部材１００によって、シャフト１０と回転子鉄心２０との相対角度の変動範囲が、磁極ピッチ以下の角度範囲に規制される。これにより、適正な相対角度の範囲内で、シャフト１０と回転子鉄心２０とを相対回転させることが可能となる。また、回転方向一方側及び他方側のどちらの方向の相対回転についても角度範囲を規制できる。

また、本実施形態では特に、円筒部材６の軸方向両端側において径方向外側に向けて突出した突起部６１と、側板１５，１６の内周側において径方向内側に向けて突出した突起部１５１とが係合することにより、シャフト１０と回転子鉄心２０との相対角度の変動範囲が規制される。このような構成とすることで、負荷トルクの大小に応じて界磁磁束を効果的に変化させることが可能となる。

また、本実施形態では特に、次のような効果を得ることができる。すなわち、仮に、回転位置被検出部品をシャフト１０側に連結した場合、シャフト１０と回転子鉄心２０とは相対回転により回転位置が相違するので、回転子３の磁極位置を精度良く検出することができない。本実施形態では、回転位置被検出部品がシャフト１０に相対回転可能に装着された部品のいずれかに装着される。したがって、回転子３の磁極位置を精度良く検出することができる。

また、本実施形態では特に、回転子鉄心２０が、側板１５，１６に対し、各磁極部２０ａを貫通したボルトＢ２により固定される。これにより、回転子鉄心２０と側板１５，１６とを強固に固定することができる。

また、本実施形態では特に、回転電機１は、シャフト１０と回転子鉄心２０との相対角度を増大するための回転子位相制御機構を有していない。これにより、構造を大幅に簡易化した可変界磁型の回転電機１を実現できる。

（１−４．第１実施形態の変形例）
なお、第１実施形態は、上記内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。なお、以下の変形例では、主として上記第１実施形態と異なる部分について説明する。また、上記第１実施形態と実質的に同一の機能を有する構成要素は、原則として同一の符号で表し、これらの構成要素についての重複説明は、適宜省略する。

（１―４−１．突起部相互間に弾性体を配置する場合）
図１１に示すように、本変形例では、円筒部材６の軸方向負荷側端部６ｃと負荷側側板１５とが径方向に対向する領域に形成された各空隙３０ａ，３０ｂに、それぞれ、例えばゴムや樹脂等により構成された弾性体１９が配置されている。

各弾性体１９は、負荷トルクに対するシャフト１０と回転子鉄心２０との相対角度の変動範囲が適正に調整されるように、形状及び硬度が調整されている。なお、図１１に示す例では、弾性体１９は、断面視で略円形状の形状であるが、これ以外の形状であってもよい。

本変形例では、前述の円筒部材６の突起部６１と、前述の負荷側側板１５及び反負荷側側板１６の突起部１５１と、上記弾性体１９とにより、規制部材１００が構成されている。

以上説明した本変形例では、突起部６１と突起部１５１との間に弾性体１９が配置される。これにより、弾性体１９の形状及び硬度を調整することで、負荷トルクに対する角度範囲を調整し、シャフト１０と回転子鉄心２０との相対回転動作を滑らかにすることができる。また、突起部６１と突起部１５１との係合時の衝撃を吸収し、突起部６１，１５１の破損や変形を防止することができる。

（１−４−２．回転位置被検出器を反負荷側側板に配置する場合）
図１２において、本変形例の回転電機１Ａの固定子２、フレーム４、円筒部材６、シャフト側永久磁石８、負荷側ブラケット１１、軸受１２，１４、負荷側側板１５、回転子鉄心２０、及び回転子側永久磁石２１は、上記第１実施形態とほぼ同様である。この回転電機１Ａにおいて、上記第１実施形態と異なる点は、シャフト１０に代えてシャフト１０Ａ、反負荷側ブラケット１３に代えて反負荷側ブラケット１３Ａ、反負荷側側板１６に代えて反負荷側側板１６Ａ、図示しない回転位置被検出部品に代えて回転位置被検出部品１７Ａ、回転位置検出部１８に代えて回転位置検出部１８Ａを設けた点等である。

すなわち、本変形例では、回転位置被検出部品１７Ａは、シャフト１０に相対回転可能に装着された部品の１つである反負荷側側板１６Ａに装着されている。また、回転位置検出部１８Ａは、回転位置被検出部品１７Ａと軸方向に対向して配置されている。

本変形例によれば、シャフト１０Ａの構造を簡易かつ強固にすることができ、回転電機１Ａの構造をより簡易化することができる。

＜２．第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態では、主として上記第１実施形態と異なる部分について説明する。また、上記第１実施形態と実質的に同一の機能を有する構成要素は、原則として同一の符号で表し、これらの構成要素についての重複説明は、適宜省略する。

（２−１．回転電機の構成）
まず、図１３を参照しつつ、本実施形態の回転電機の構成について説明する。なお、図１３中に示す回転電機の各構成の状態は、負荷トルクが小さい場合に対応する。

図１３において、特に図示はしていないが、本実施形態の回転電機１′の固定子２、フレーム４、ブラケット１１，１３、軸受１２，１４、側板１５，１６、被検出部品１７、及び回転位置検出器１８は、上記第１実施形態とほぼ同様である。この回転電機１′において、上記第１実施形態と異なる点は、主に、回転子の構成、シャフトの構成、円筒部材の構成、シャフトに永久磁石が固定されていないこと等である。

すなわち、本実施形態における回転子３′は、前述の固定子２の内周面と径方向に磁気的空隙を介して対向するように、固定子２の内部に配置されている。この回転子３′は、略円筒状の回転子鉄心２０′と、固定子２の径方向内側で軸心ｋ周りに回転自在に支持され、回転子鉄心２０′の内部に同軸となるように配置された適宜の磁性体からなるシャフト１０′と、複数（図示の例では１６個）の永久磁石２１′（第１永久磁石の一例に相当）とを備える。

回転子鉄心２０′は、その軸方向長さが前述の固定子鉄心５と実質的に等しく形成されている。また、回転子鉄心２０′は、シャフト１０′の外周に装着され、固定子２に対し軸心ｋ周りに回転可能であると共に、シャフト１０′及び後述の円筒部材に対し軸心ｋ周りに相対回転可能である。

複数の永久磁石２１′は、回転子鉄心２０′の内部に配置され、回転子鉄心２０′の回転と共に回転する。すなわち、回転子３′は、複数の永久磁石２１′が回転子鉄心２０′に埋め込まれており、回転電機１′はＩＰＭ型のモータとして構成されている。また、複数の永久磁石２１′は、具体的には、回転方向に隣り合う２つの永久磁石２１′，２１′を１対（図１３中では符号２２で表す）として複数対（図示の例では８対）からなる。そして、各対２２の永久磁石２１′，２１′は、同じ磁極同士（Ｎ極同士又はＳ極同士）が互いに対向するように、回転子鉄心２０′の内部に間隔が径方向外側に向けて増大する形状に配置されている（いわゆるＶ字形配置）。

また、回転子鉄心２０′には、複数対２２の永久磁石２１′，２１′により各対２２の永久磁石２１′，２１′間に磁極部２０ａ′が構成されている。

シャフト１０′の回転子鉄心２０′と径方向に対向する位置には、回転子鉄心２０′に構成された複数の磁極部２０ａ′と同数の、径方向外側に向けて突出した突極部１０１が、回転方向に沿って等間隔で形成されている。そして、回転子鉄心２０′の径方向内側における突極部１０１相互間には、複数の磁極部２０ａ′と同数の空隙部４０が形成されている。

上記回転子鉄心２０′は、負荷トルクが小さいときには、永久磁石２１′の磁気吸引力により、シャフト１０′に対し所定の角度位置で保持される。具体的には、回転子鉄心２０′は、負荷トルクが小さいときには、シャフト１０′に対し、磁極部２０ａ′と突極部１０１とが径方向に正対する角度位置で、磁極部２０ａ′の磁気吸引力によって保持される。そして、回転子鉄心２０′は、負荷トルクの増大に応じてシャフト１０′との相対角度が磁気吸引力に抗して増大するように構成されている（詳細は後述）。これにより、負荷トルクの大小に応じて、磁気吸引力との釣り合いによって界磁磁束を変化させることが可能である（詳細は後述）。

（２−２．負荷トルクの大小に応じて界磁磁束が変化する原理）
次に、図１４及び図１５を参照しつつ、負荷トルクの大小に応じて界磁磁束が変化する原理について説明する。

図１４は、負荷トルクが小さい状態を示している。この状態では、回転子鉄心２０′は、シャフト１０′に対し、磁極部２０ａ′と突極部１０１とが径方向に正対する角度位置で、磁極部２０ａ′の磁気吸引力によって保持される。この状態では、磁極部２０ａ′の磁束は、突極部１０１側に漏れるので、界磁磁束は小さくなる。

そして、負荷トルクが増大するにつれて、回転子鉄心２０′とシャフト１０′とが磁気吸引力に抗して相対回転して回転子鉄心２０′とシャフト１０′との相対角度が増大し、磁極部２０ａ′と空隙部４０とが径方向に正対する角度位置に近づく。これにより、突極部１０１側に漏れる磁極部２０ａ′の磁束が次第に少なくなるので、界磁磁束は負荷トルクの増大に応じて大きくなる。

図１５は、負荷トルクがさらに増大した状態を示している。この状態では、回転子鉄心２０′とシャフト１０′とが磁気吸引力に抗して相対回転して回転子鉄心２０′とシャフト１０′との相対角度がさらに増大し、磁極部２０ａ′と空隙部４０とが径方向に正対する角度位置となっている。この状態では、突極部１０１側に漏れる磁極部２０ａ′の磁束がほとんどなくなり、界磁磁束は最大となる。

（２−３．本実施形態による効果）
以上説明した本実施形態の回転電機１′では、上記第１実施形態と同様、負荷トルクの大小に応じて、磁気吸引力との釣り合いによって界磁磁束を変化させることが可能となる。その結果、シャフト１０′と回転子鉄心２０′との相対角度を変化させ、界磁磁束を変化させるための回転子位相制御機構が不要となるので、構造を大幅に簡易化した可変界磁型の回転電機１′を実現できる。

また、本実施形態では特に、複数の永久磁石２１′が、回転方向に隣り合う２つの永久磁石２１′，２１′を１対として複数対含まれる。そして、各対２２の永久磁石２１′，２１′が、同じ磁極同士が互いに対向するように回転子鉄心２０′の内部に間隔が径方向外側に向けて増大する形状に配置される。このような配置構成とすることにより、回転子鉄心２０′での永久磁石２０ａ′のレイアウトの自由度を向上できる。

また、本実施形態では特に、シャフト１０′の軸方向の回転子鉄心２０′と対向する位置に複数の突極部１０１が設けられ、回転子鉄心２０′の径方向内側における突極部１０１相互間に複数の空隙部４０が形成される。突極部１０１及び空隙部４０は、複数の永久磁石２１′により回転子鉄心２０′に構成される複数の磁極部２０ａ′と同数設けられる。

そして、負荷トルクが小さい場合には、回転子鉄心２０′はシャフト１０′に対し、磁極部２０ａ′と突極部１０１とが径方向に正対する角度位置で、磁極部２０ａ′の磁気吸引力によって保持される。これにより、磁極部２０ａ′の磁束は突極部１０１側に漏れるので、界磁磁束を小さくすることができる。その結果、電源電圧に対して誘起電圧が小さくなり、高速回転が可能となる。また、固定子鉄心５で発生する鉄損を小さくして無負荷損失を低減できるので、高い効率を得ることができる。

一方、負荷トルクが増大するにつれ、回転子鉄心２０′とシャフト１０′との相対角度が増大し、磁極部２０ａ′と空隙部４０とが径方向に正対する角度位置に近づく。これにより、突極部１０１側に漏れる磁極部２０ａ′の磁束が次第に少なくなり、磁極部２０ａ′の磁束は次第に強められるので、界磁磁束を負荷トルクの増大に応じて大きくすることができる。その結果、出力トルクを高めることができる。また、トルク定数が大きくなることで電流値を低くすることができるので、高い効率を得ることができる。

また、本実施形態では、上記第１実施形態のようにシャフト１０に回転方向に沿って交互に極性が異なるように複数のシャフト側永久磁石８が固定される場合と異なり永久磁石が必要ないので、部品点数及びコストを削減することができ、小型で低コストの回転電機１′を実現できる。

なお、実施形態は、上記内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

また、以上既に述べた以外にも、上記各実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用してもよい。

その他、一々例示はしないが、上記各実施形態や各変形例は、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。

１，１Ａ，１′ 回転電機
２ 固定子
３，３′ 回転子
５ 固定子鉄心
６ 円筒部材
８ シャフト側永久磁石（第２永久磁石の一例）
１０，１０Ａ，１０′ シャフト
１５ 負荷側側板（側板の一例）
１６，１６Ａ 反負荷側側板（側板の一例）
１７Ａ 回転位置被検出部品
１９ 弾性体
２０，２０′ 回転子鉄心
２０ａ，２０ａ′ 磁極部
２１ 回転子側永久磁石（第１永久磁石の一例）
２１′ 永久磁石（第１永久磁石の一例）
４０ 空隙部
６１ 突起部（第１突起部の一例）
１００ 規制部材
１０１ 突極部
１５１ 突起部（第２突起部の一例）
１５２ 溝
Ｂ２ ボルト

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機であって、固定子巻線及び固定子鉄心を備えた固定子と、回転自在に支持されたシャフト、前記シャフトに相対回転可能に装着された回転子鉄心、及び、前記回転子鉄心に設置された複数の第１永久磁石、を備えた回転子と、を有し、前記回転子は、前記シャフトの外周に固定された円筒部材と、前記複数の第１永久磁石により前記回転子鉄心に構成される複数の磁極部若しくは前記複数の第１永久磁石に径方向に正対するように、かつ回転方向に沿って交互に極性が異なるように、前記円筒部材の外周部に対し固定された、前記複数の磁極部と同数の第２永久磁石と、を有し、前記回転子鉄心は、前記第１永久磁石の磁気吸引力により、前記シャフトに対し、互いに極性が異なる前記磁極部と前記第２永久磁石とが径方向に正対する角度位置で保持されると共に、負荷トルクの増大に応じて前記シャフトとの相対角度が前記磁気吸引力に抗して増大するように構成され、かつ軸方向長さが前記固定子鉄心と実質的に等しい回転電機が適用される。
また、本発明の別の観点によれば、界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機であって、固定子巻線及び固定子鉄心を備えた固定子と、回転自在に支持されたシャフト、前記シャフトに相対回転可能に装着された回転子鉄心、及び、前記回転子鉄心に設置された複数の第１永久磁石、を備えた回転子と、を有し、前記回転子は、前記シャフトの軸方向の少なくとも前記回転子鉄心と対向する位置において径方向外側に向けて突出し、前記複数の第１永久磁石により前記回転子鉄心に構成される複数の磁極部と同数の突極部と、前記回転子鉄心の径方向内側における前記突極部相互間に形成された、前記磁極部と同数の空隙部と、を有し、前記複数の第１永久磁石は、回転方向に隣り合いかつ同じ磁極である２つの前記第１永久磁石からなる第１対を複数対含み、前記第１対の前記２つの第１永久磁石のそれぞれは、同じ磁極同士が互いに対向しつつ間隔が径方向外側に向けて増大するように、径方向から傾斜しつつ前記回転子鉄心の内部に配置され、前記回転子鉄心は、前記第１永久磁石の磁気吸引力によって、１つの前記第１対を構成する２つの第１磁極の前記第１永久磁石のうち１つと、当該１つの第１永久磁石に対し回転方向に隣接し、前記第１対に対し回転方向に隣接する第２対を構成する２つの第２磁極の前記第１永久磁石のうち１つとが、前記空隙部に対し径方向に正対する角度位置であって、前記磁極部と前記突極部とが径方向に正対する角度位置、で保持されると共に、負荷トルクの増大に応じて前記シャフトとの相対角度が前記磁気吸引力に抗して増大するように構成され、かつ軸方向長さが前記固定子鉄心と実質的に等しい回転電機が適用される。

Claims (12)

1. 界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機であって、
   固定子巻線及び固定子鉄心を備えた固定子と、
   回転自在に支持されたシャフト、前記シャフトに相対回転可能に装着された回転子鉄心、及び、前記回転子鉄心に設置された複数の第１永久磁石、を備えた回転子と、を有し、
   前記回転子鉄心は、
   前記第１永久磁石の磁気吸引力により前記シャフトに対し所定の角度位置で保持されると共に、負荷トルクの増大に応じて前記シャフトとの相対角度が前記磁気吸引力に抗して増大するように構成され、かつ軸方向長さが前記固定子鉄心と実質的に等しい
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記シャフトに回転方向に沿って交互に極性が異なるように固定され、前記複数の第１永久磁石により前記回転子鉄心に構成される複数の磁極部と同数の第２永久磁石をさらに有し、
   前記回転子鉄心は、
   前記シャフトに対し、互いに極性が異なる前記磁極部と前記第２永久磁石とが径方向に正対する前記角度位置で保持される
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数の第１永久磁石は、
   前記回転方向に隣り合う前記第１永久磁石の同じ磁極同士が互いに対向するように前記回転子鉄心の内部に放射状に配置される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記シャフトに相対回転可能に装着され、前記回転子鉄心の軸方向両端に固定される２つの側板をさらに有し、
   前記側板は、
   前記回転子鉄心側の表面に、前記第１永久磁石がはめ込まれる溝を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記複数の第１永久磁石は、
   回転方向に隣り合う２つの前記第１永久磁石を１対として複数対含み、
   各対の前記第１永久磁石は、
   同じ磁極同士が互いに対向するように前記回転子鉄心の内部に間隔が径方向外側に向けて増大する形状に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
6. 前記シャフトの軸方向の少なくとも前記回転子鉄心と対向する位置において径方向外側に向けて突出し、前記複数の第１永久磁石により前記回転子鉄心に構成される複数の磁極部と同数の突極部と、
   前記回転子鉄心の径方向内側における前記突極部相互間に形成された、前記磁極部と同数の空隙部と、をさらに有し、
   前記回転子鉄心は、
   前記シャフトに対し、前記磁極部と前記突極部とが径方向に正対する前記角度位置で保持される
   ことを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
7. 前記シャフトと前記回転子鉄心との前記相対角度の変動範囲を、磁極ピッチ以下の角度範囲に規制するように構成された規制部材をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 前記シャフトの外周に固定された円筒部材と、
   前記円筒部材に相対回転可能に装着され、前記回転子鉄心の軸方向両端に固定される２つの側板と、をさらに有し、
   前記規制部材は、
   前記円筒部材の軸方向の少なくとも一端側において径方向外側に向けて突出した第１突起部と、
   前記２つの側板の少なくとも一方の内周側において径方向内側に向けて突出し前記第１突起部と係合可能な第２突起部と、を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の回転電機。
9. 前記規制部材は、
   前記第１突起部と前記第２突起部との間に配置された弾性体を有する
   ことを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
10. 前記回転子の位置を検出するための回転位置被検出部品が、前記シャフトに相対回転可能に装着された部品のいずれかに装着された
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機。
11. 前記シャフトに相対回転可能に装着され、前記回転子鉄心の軸方向両端に固定される２つの側板をさらに有し、
    前記回転位置被検出部品が、前記回転子鉄心の軸方向反負荷側の端部に固定される前記側板に装着された
    ことを特徴とする請求項１０に記載の回転電機。
12. 前記シャフトに相対回転可能に装着され、前記回転子鉄心の軸方向両端に固定される２つの側板をさらに有し、
    前記回転子鉄心は、
    前記２つの側板に対し、前記複数の第１永久磁石により当該回転子鉄心に構成される各磁極部を貫通したボルトにより固定される
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の回転電機。

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