(57)【要約】【課題】  本発明は、分割した回転子の界磁用磁石間の吸引力を回避し、連続的かつトルク方向に関係なく、回転子の相対的な角度変位を調整可能な回転電機を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、巻線を有する固定子と、前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一回転子と第二回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された二分割回転子と、前記二分割回転子の第一回転子に対する前記二分割回転子の第二回転子の相対的な回転軸方向位置を連続的に可変する機構と、第一回転子と第二回転子との間に設置された非磁性部材と、を有する回転電機を特徴とする。【選択図】図１
2010154699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線を有する固定子と、前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一回転子と第二回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された二分割回転子と、前記二分割回転子の第一回転子に対する前記二分割回転子の第二回転子の相対的な回転軸方向位置を連続的に可変する機構と、第一回転子と第二回転子との間に設置された非磁性部材と、を有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
巻線を有する固定子と、前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一回転子，第二回転子，第三回転子に三分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された三分割回転子と、前記三分割回転子の第一回転子に対する前記第二回転子，第三回転子の相対的な回転軸方向位置を連続的に可変する機構と、を有することを特徴とする回転電機。
【請求項３】
巻線を有する固定子と、前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に四つ以上に分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、各回転子の回転を制御する制御機構と、を有することを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機において、前記第一回転子は回転軸に固定されており、前記第二回転子は回転軸のスプライン構造を介して回転しながら回転軸方向に移動可能であり、前記第二回転子を支持し、回転軸方向の位置を調整する支持機構とを有することを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項２に記載の回転電機において、前記三分割回転子の第一回転子は回転軸に固定されており、前記第二回転子，第三回転子は回転軸のスプライン構造を介して回転しながら回転軸方向に移動可能であり、前記回転軸に固定されている第一回転子に隣接して第三回転子が配置され、第一回転子と第三回転子の各磁石の吸引力と反発力が釣り合う角度まで第三回転子が回転する構造と、前記第二回転子の磁石中心が回転軸に固定されている第一回転子の逆極性磁石の磁石中心に揃う角度まで前記第二回転子が回転する構造とを有することを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項５に記載の回転電機において、三分割回転子の回転軸に固定される第一回転子と相対的に回転する第二回転子の回転軸方向の長さ割合比は約１：１となることを特徴とする回転電機。
【請求項７】
請求項５に記載の回転電機において、三分割回転子の回転軸に固定される第一回転子と相対的に回転する第二回転子，第三回転子の回転軸方向の長さ割合比は約１：１：１となることを特徴とする回転電機。
【請求項８】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結され、前記バッテリから供給された電力によって駆動されて前記内燃機関を駆動すると共に、前記内燃機関からの動力によって駆動されて発電し、前記バッテリにその発電電力を供給するスタータ・オルタネータと、該スタータ・オルタネータに供給される電力および該スタータ・オルタネータから供給された電力を制御する電力変換装置と、該電力変換装置を制御する制御装置とを有し、前記スタータ・オルタネータは、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機で構成されていることを特徴とする自動車。
【請求項９】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、該バッテリから供給された電力によって駆動されて前記車輪を駆動すると共に、前記車輪からの駆動力を受けて発電し、前記バッテリにその発電電力を供給するモータ・ジェネレータと、該モータ・ジェネレータに供給される電力および該モータ・ジェネレータから供給された電力を制御する電力変換装置と、該電力変換装置を制御する制御装置とを有し、前記モータ・ジェネレータは、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機で構成されていることを特徴とする自動車。
【請求項１０】
電力の充放電を行うバッテリと、該バッテリから供給された電力によって駆動されて車輪を駆動すると共に、該車輪からの駆動力を受けて発電し、前記バッテリにその発電電力を供給するモータ・ジェネレータと、該モータ・ジェネレータに供給される電力および該モータ・ジェネレータから供給された電力を制御する電力変換装置と、該電力変換装置を制御する制御装置とを有し、前記モータ・ジェネレータは、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機で構成されていることを特徴とする自動車。
【請求項１１】
電力の充放電を行うバッテリと、該バッテリから供給された電力によって駆動されて移動体を駆動する回転電機と、該移動体は、低速大トルク，高速大出力の出力特性をもつことと、前記回転電機は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機で構成されていることを特徴とする移動体。
【請求項１２】
空気調和機において、冷凍サイクルを循環する冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の動力源となる電動機と、該電動機を駆動する駆動回路と、室内において、冷凍サイクルを循環する冷媒と熱交換を行う室内熱交換器と、室外において、冷凍サイクルを循環する冷媒と熱交換を行う熱交換器と、冷凍サイクルを循環する冷媒を膨張弁と、冷凍サイクルを循環する冷媒の流れ方向を切り替える弁とを備え、前記電動機は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機で構成されていることを特徴とする空気調和機。
【請求項１３】
回転軸を中心として外槽内に回転自在に軸支された洗濯脱水槽と、前記回転軸と同心の回転軸を中心として前記洗濯脱水槽の底部に回転自在に軸支された回転体と、該回転体の回転軸に対して前記洗濯脱水槽の回転軸を連結又は離脱する切換機構と、前記回転体を回転駆動させる電動機とを有し、前記電動機は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機で構成されていることを特徴とする洗濯機。
【請求項１４】
翼が装着された主軸と、該主軸と結合された発電機と、該発電機に電気的に接続されたインバータと、該インバータを制御するコントローラと、風の状態に応じて前記翼のピッチを制御する手段と、前記翼の回転を停止させるブレーキと、風の状態を検知する風速風向計とを有し、前記発電機は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機で構成されていることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１５】
架線および軌道を必要とし、エネルギー供給手段および駆動手段を複数種有するハイブリッド輸送車両であって、又は予め定められた軌道上を走行するようにされ、架線，蓄電器，燃料電池，エンジン又はそれに駆動される発電機などのエネルギー供給手段を複数備えると共に、電動機，エンジンなどの走行用駆動手段を少なくとも一つ備えたハイブリッド輸送車両であって、前記電動機，発電機は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機で構成されていることを特徴とする輸送車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機のトルク，回転数に応じて、機械的に有効磁束量を可変することができる回転電機およびそれを用いた電気製品，自動車，移動体，風力発電システム，輸送車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘導電動機（ＩＭモータ）に代わり、効率に優れ、小型化や低騒音化も期待できる永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）が普及し始めている。例えば、家電，鉄道車両，電気自動車向けの駆動モータとしてＰＭモータが利用されるようになってきている。ＩＭモータは、磁束自体をステータからの励磁電流によって作り出すため、励磁電流を流すことによる損失が発生する問題点がある。一方、ＰＭモータは、ロータに永久磁石を備え、永久磁石の磁束を利用してトルクを出力するモータである。そのため、ＰＭモータでは励磁電流を印加する必要はなく、ＩＭモータの抱える問題はない。
【０００３】
しかしながら、ＰＭモータは、回転数に比例して永久磁石により電機子コイルに誘起電圧が発生する。鉄道車両や自動車など回転範囲が広い応用範囲では、最高回転数において生じる誘起電圧によって、ＰＭモータを駆動制御するインバータが過電圧によって破壊しないことが必要である。このような特性を有するＰＭモータでは、電源電圧を一定として定出力運転を行う場合に、前述の最高回転数をさらに上昇させて運転速度を広くするための方策として、電機子コイルに永久磁石による磁束を打ち消す電流を流して等価的に誘起電圧を下げるといういわゆる弱め界磁制御がある。しかし、この弱め界磁制御は、トルクに寄与しない電流を流すため効率の低下を招いていた。また、電機子コイルに大電流を流す必要があり、おのずとコイルに発生する熱が増大する。そのため、高回転領域における回転電機としての効率の低下，冷却能力を超えた発熱による永久磁石の減磁などが起こり得る可能性があった。
【０００４】
そこで、電気的な弱め界磁の代わりに、機械的に有効磁束量を可変することができる回転電機として、例えば特許文献１に記載された回転電機が知られている。特許文献１に記載された回転電機は、回転軸方向に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子を有する。そして、回転電機を電動機として動作させる場合は、二分割回転子の一方の界磁用磁石と二分割回転子の他方の界磁用磁石との間の磁気作用力と回転子のトルク方向との釣り合いによって二分割回転子の界磁用磁石の磁極中心を揃える。回転電機を発電機として動作させる場合は、回転子のトルク方向が反対になるに伴って二分割回転子の界磁用磁石の磁極中心をずらす。このように、分割した二つの回転子の磁極中心を変化させることで機械的に有効磁束量を可変にしている。
【０００５】
さらに、機械的な可変機構を用いた回転電機では、被搭載体、例えば自動車に対する信頼性を向上させるために、例えば回転子のトルク方向の変化に伴って二分割回転子の一方が可変した時に二分割回転子の一方や機械的な可変機構に生じる衝撃を緩和できる機構を設けた回転電機が特許文献２に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−６９６０９号公報
【特許文献２】特開２００４−６４９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した回転電機は、連続的かつトルク方向に関係なく、回転子の相対的な角度変位を調整するための機構を有していない。また、自動車などの幅広い回転数，トルク領域を必要とする用途では、有効磁束の可変量を大きくすることが有効である。しかし、従来の機械的な可変機構を有する回転電機では、有効磁束量を半分以下にすると分割される二つの回転子の界磁用磁石の間に吸引力が働く。そのため、吸引力が働いている状態から有効磁束量を増加させるためには、回転子の磁極中心角度を変化させるために吸引力よりも大きな力を与える必要があり、回転子の角度調整機構の大型化を招いてしまう。また、最悪の場合、分割される二つの回転子が正味の吸引力によってくっつき、次の可変動作ができなくなる可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、分割した回転子の界磁用磁石間の吸引力を回避し、連続的かつトルク方向に関係なく、回転子の相対的な角度変位を調整可能な回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決するために、巻線を有する固定子と、前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一回転子と第二回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された二分割回転子と、前記二分割回転子の第一回転子に対する前記二分割回転子の第二回転子の相対的な回転軸方向位置を連続的に可変する機構と、第一回転子と第二回転子との間に設置された非磁性部材と、を有することを特徴とする回転電機を提供する。
【００１０】
巻線を有する固定子と、前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一回転子，第二回転子，第三回転子に三分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、前記三分割回転子の第一回転子に対する前記第二回転子，第三回転子の相対的な回転軸方向位置を連続的に可変する機構と、を有することを特徴とする回転電機を提供する。
【００１１】
巻線を有する固定子と、前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に四つ以上に分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、各回転子の回転を制御する制御機構と、を有することを特徴とする回転電機を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回転電機の界磁用有効磁束を機械的に変えることによって、広い運転範囲での高効率運転を実現できる。また、電動機・発電機一体型回転機に対し、回転数とトルクに応じて有効磁束を可変することにより、効率を向上させることができる。さらに、自動車のような移動体は低回転大トルク，高回転大出力の回転電機出力を実現することができる。特に、負荷変動の大きい自動車，風力発電システムは、本発明が実装対象として有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本実施例を図１と図２に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本実施例の回転電機の構成を示す。図１に示したように、円筒状の固定子鉄心１の内周部には、軸方向に連続し、開口したスロット（溝ともいう）が周方向に複数形成され、複数のスロットの各々には電機子巻線２（固定子巻線又は一次巻線ともいう）が装着されている。固定子鉄心１の外周側は、ハウジング（図に示していない）に焼嵌或いは圧入などによってより締結され、回転軸方向端部をブラケット４によって塞いでいる。固定子鉄心１の内周側には空隙を介して回転子が回転可能に配設されている。回転子は回転軸方向に二分割されて構成されたものであり、シャフト３（回転軸ともいう）に固定された第１回転子５と、シャフト３に設けたスプライン１１の上を回転しながら回転軸方向に移動可能な第２回転子６とを有している。第１回転子５には、極性が回転方向に順次異なるように（交互なるように）永久磁石５Ａが複数埋め込まれている。また、第２回転子６にも、極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石６Ａが複数埋め込まれている。シャフト３の中心軸方向の両端部は、軸受装置（図に示していない）によって回転可能に支持されている。第１回転子５と第２回転子６の間には、非磁性体材料７が第１回転子と同様にシャフトに固定されている。本実施例では、第２回転子と対向する側の第１回転子の側面に非磁性体材料７を設けている。また、第２回転子を支持し、回転軸方向の位置を制御する支持機構が設けられている。この支持機構は、軸受８，ストッパー９，アクチュエータ１０から構成されている。支持機構により、アクチュエータ１０の可動部１０Ａを可動させ、軸受８，ストッパー９を介して第２回転子を所定位置に移動させることができる。
【００１６】
本実施例では、図２に示すように、トルクや回転数の変化に応じて第２回転子を動作させている。すなわち本実施例では、図２（ａ）の状態から図２（ｃ）までの任意状態としている。ここで、図２（ａ）は、最大有効磁束が必要とされる場合、第１回転子５と第２回転子６を接近させて一体とし、永久磁石５Ａ，６Ａの同極性のもの同士を回転軸方向に並ばせて永久磁石５Ａ，６Ａの磁極の中心を揃えた状態である。この時、支持機構は、第２回転子６を第１回転子５側とは反対側から支持している。すなわちアクチュエータ制御信号によって制御し、可動部１０Ａが軸受８，ストッパー９を介して第２回転子を所定位置に移動させる。図２（ｂ）は、図２（ａ）の状態より有効磁束を減らした状態である。第２回転子６を、シャフト３上を回転させながら回転軸方向の一方側（第１回転子５側とは反対側）に移動させて第１回転子５から離し、任意の所定位置に移動させる。図２（ｃ）は、第１回転子５に対する第２回転子６の相対的な回転軸方向位置が、永久磁石５Ａ，６Ａの合成磁界値が０になる位置となり、支持機構は第２回転子６を第１回転子５から離す最長距離の状態となる。この状態では、界磁用の有効磁束量は０となり、逆起電圧を０にすることができる。この有効磁束０の特性は回転電機の保護機能に利用できる。第２回転子６の回転軸方向の位置は、アクチュエータを制御信号によって可動部１０Ａの可動量を制御し、軸受８，ストッパー９を介して可動部１０Ａにより第２回転子を所定位置に移動させることで制御できる。このように第２回転子６の回転軸方向の位置を制御することで第２回転子の回転角度を変化させて、有効磁束を変化させることができる。
【００１７】
前記スプライン１１は、横の移動距離を制御することによって回転角度を変えることができる。スプラインの圧力角やねじれ角などを変えることによって移動距離と相対的な回転角度が変わる。例えば、ねじれ角を倍にすると、同じ移動距離に対し、相対的な回転角が２倍になる。また、スプラインの切り方（左角，右角で分ける。本実施例では、左角である（左側第１回転子５，右側第２回転子６））も変えられるので、回転電機の用途によって最適設計することが容易である。
【００１８】
前記非磁性体材料７は、材料の磁場に与える影響を最小にし、磁場から離れた後に残留磁気が残らないような性質を有する材料である。例えば、アルミニウム，銅，ＳＵＳ３０４ステンレス鋼，ＮｉＣｒＡｌ合金などが挙げられる。また、スペースを空けること、言い換えれば空気層でもよいが、装置の小型化や残留磁気の影響を抑制する上では、空気層よりも磁気を遮断する特性に優れた材料を非磁性体材料７として適用することがより好ましい。また、非磁性体材料７の配置は、第１回転子５と第２回転子６の間に介在していればよく、第１回転子側，第２回転子のいずれか一方の面に設けるか、第１回転子５と第２回転子６との間に独立して設ければ良い。
【００１９】
本実施例によれば、アクチュエータ１０の駆動部のパルス信号を制御し、アクチュエータの可動部を推力（可動部１０Ａ前進）と張力（可動部１０Ａ後退）により、ストッパー９の回転軸方向位置を任意に制御することが可能になる。従って、本実施例によれば、第１回転子５に対する第２回転子６の回転軸方向位置を任意の位置に変化させることができる。本実施例では、回転電機のトルク方向に関係なく、アクチュエータの制御によって、図２（ａ）の状態から図２（ｃ）の状態簡単に有効磁束を可変できる。回転数とトルクに応じて有効磁束を可変することにより、効率を向上させることができる。また、支持機構に生じる衝撃はなく、支持機構の負担を軽減でき、信頼性を向上させることができる。また、第１回転子５と第２回転子６との間に非磁性体材料７を設けたことで、界磁用磁石間に働く吸引力を抑制することができ、有効磁束をスムーズに可変することができる。なお、本実施例では、支持機構の駆動機構として、ステッピングモータとボールねじの組合せを用いた場合について説明したが、電磁力によって可動鉄心を駆動するソレノイドとばねの組合せ，油圧式アクチュエータ，リニアモータを用いてもよい。このように、位置を制御することができるサーボ機構を構成することができればよいため、実現が容易である。
【実施例２】
【００２０】
本実施例を図３に基づいて説明する。以下、実施例１と同じ部品には同符号を付してその説明を省略し、異なる部品のみ説明する。
【００２１】
本実施例は、図３に示すように、第１回転子５，第２回転子６の間に、第３回転子１２を設けた構造をもつ回転電機の実施例である。この構造の回転電機は、図３に示すように、トルクや回転数の変化に応じて、第２回転子６，第３回転子１２を動作させている。すなわち本実施例では、スプライン１１上を回転軸方向に第２回転子６，第３回転子１２を移動させて、図３（ａ）の状態から図３（ｃ）までの任意状態としている。ここで、図３（ａ）は、最大有効磁束が必要とされる場合、第１回転子５，第３回転子１２，第２回転子６を接近させて一体とし、永久磁石５Ａ，１２Ａ，６Ａの同極性のもの同士を回転軸方向に並ばせて永久磁石５Ａ，１２Ａ，６Ａの磁極の中心を揃えた状態である。この時、支持機構は、第２回転子６を第３回転子１２側とは反対側から支持し、回転軸方向の位置を制御している。すなわち、アクチュエータを制御信号によって可動部１０Ａの可動量を制御し、軸受８，ストッパー９を介して可動部１０Ａにより第２回転子と第３回転子を所定位置に移動させている。
【００２２】
次に、本実施例の有効磁束の可変動作について説明する。図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の状態から第３回転子１２と第２回転子６が一緒に移動し、第３回転子１２の永久磁石１２Ａの磁極中心（Ｎ極またはＳ極の中心）が、第１回転子の永久磁石５Ａの磁極中心に対して機械角の半分の角度分ずらした位置で止める。この状態で、第１回転子５と第３回転子１２の間の永久磁石による吸引力と反発力が釣り合う状態となる。例えば、回転子が８極永久磁石で構成される場合、１磁石あたりの機械角は、４５°になり、磁極中心は２２.５°となる。次に、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）の状態から、第２回転子６のみが回転しながら移動し、第２回転子６を第１回転子５の磁極中心に対して逆極性の磁極中心に揃える位置まで移動させる。この際、第３回転子１２はシャフト３に固定されたストッパーにより図３（ｂ）の位置に固定されている。なお、シャフト３に固定されたストッパーは、図３（ａ）の状態では第２回転子６に設けられた凹部に収容されている。そして、第２回転子６，第３回転子１２が回転軸方向に移動し、図３（ｂ）の状態になった時点でストッパーと第３回転子１２が接した状態となり、ストッパーにより第３回転子１２が固定される。
【００２３】
図３の動作を実現する機構の一例を、図４，図５を参照して説明する。図４に示したワンタッチ構造１３は、本体１４，コレット１５，グリップ１６，差込棒１７によって構成されている。動作は図４（ａ）から図４（ｃ）を繰り返し実行できる。固定時は、図４（ａ），（ｂ）に示したように、差込棒１７が本体１４に差込まれることで、クリップ１６によって差込棒１７がロックされる。これにより、本体１４と差込棒１７が固定できる。本体１４から差込棒１７を離す時は、図４（ｃ）に示したように、コレット１５を押すことによりロックが解除され、コレット１５を押しながら差込棒１７を引き出すことができる。このワンタッチ構造を第２回転子６，第３回転子１２の動作に適用した例を説明する。第２回転子６には図４の差込棒１７に相当する突起が設けられ、第３回転子１２には図４のコレット１５，グリップ１６を備えた本体１４に相当する機構が設けられている。ワンタッチ構造が設けられた第２回転子６，第３回転子１２の動作について説明する。まず、図５（ａ）に示すように、機械角の半分までは、第２回転子と第３回転子がワンタッチ構造によってロックされ（図４（ｂ）の状態）、一緒に第１回転子から回転しながら離れて移動する。第３回転子１２は、機械角の半分の角度回転した位置でシャフト３に固定されるストッパー１８に止められる。ストッパー１８には第３回転子１２のコレット１５を押すための部材１７′が設けられている。ストッパー１８と第３回転子１２が接した状態で、ストッパー１８に設けられた部材１７′により第３回転子１２のコレット１５が押され、第２回転子６と第３回転子１２間のワンタッチ構造のロックが解除される。その後、図５（ｂ）に示したように、第１回転子５の磁極中心と第２回転子６の逆極性の磁極中心が揃う状態まで、第２回転子が単独で回転しながら移動し、有効磁束を弱める。この動作を逆に実行すれば、有効磁束を強めることができる。本実施例では、第１回転子と第２回転子の間に第３回転子を設けたことで、有効磁束が０になる時、第１回転子と第３回転子間，第３回転子と第２回転子間の永久磁石による吸引力と反発力が釣り合う状態となり、次の磁束可変動作を支持機構に負担かけず円滑に実行できる。これにより、実施例１の非磁性体材料を使わずに、界磁用有効磁束を０から最大まで可変することができる。
【００２４】
本実施例において、各回転子の回転軸方向の長さは、特に限定されるものではないが、第１回転子と第２回転子の回転軸方向の長さ割合は１：１が好ましい。
【００２５】
さらに、三分割回転子の構造は、図６に示すように三等分割が好ましい。つまり、三分割された第１回転子，第２回転子，第３回転子の回転軸方向の長さ割合は１：１：１となる。このように、等分割することによって、磁気バランスをとることが容易である。
【００２６】
本実施例では、回転電機のトルク方向に関係なく、アクチュエータの制御によって、簡単に有効磁束を調整できる。回転数とトルクに応じて有効磁束を可変することにより、効率を向上させることができる。また、支持機構に生じる衝撃はなく、支持機構の負担を軽減でき、信頼性を向上させることができる。
【実施例３】
【００２７】
本実施例は、実施例２の第１回転子に対する第２回転子，第３回転子の相対的な回転機構の改良例である。以下、前例と同じ部品には同符号を付してその説明を省略し、異なる部品のみ説明する。
【００２８】
本実施例では、図７に示すように、第３回転子１２に連動機構１９と溝２０を設ける可変機構を用いて、実施例２の第２回転子と第３回転子の動作を実現する。この機構は、可動くさび２１の一方に横からの力を加えると、ばね２２付きの連動支持体２３によって、他方の可動くさびも同様に動作することができる機構である。
【００２９】
図８を参照して第２回転子６，第３回転子１２の動作について説明する。図８（ａ）に示すように、回転角が機械角の半分までは、第２回転子６の凸部２４が第３回転子１２にある連動構造１９によってロックされ、第２回転子６と第３回転子１２が一緒に第１回転子から離れる方向に回転しながら移動する。回転角が機械角の半分になった距離で第３回転子１２が連動構造１９によってシャフト３に固定されるストッパー２５に止められると同時に、第２回転子６と第３回転子間１２の構造のロックが連動で解除される。次に、図８（ｂ）に示すように、半分機械角から逆極性の磁極中心に揃えるまで、第２回転子が単独で回転しながら移動し、有効磁束を弱める。前述動作を逆に実行すれば、有効磁束を強めることができる。本実施例では、実施例２と同様に３分割回転子を用いたことで、有効磁束が０になる時、第１回転子と第３回転子間，第３回転子と第２回転子間の永久磁石による吸引力と反発力が釣り合う状態となり、次の磁束可変動作を支持機構に負担かけず円滑に実行できる。これにより、実施例１の非磁性体材料を使わずに、界磁用有効磁束を０から最大まで可変することができる。
【実施例４】
【００３０】
本実施例では、回転軸方向に四分割以上に分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子を用いた回転電機の例である。
【００３１】
図９は、７分割された回転子構造の回転電機を一つの例として説明する。回転軸方向に分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子２６Ａ〜２６Ｇをそれぞれツーウェイクラッチを介してシャフト３に装着する。ツーウェイクラッチは、図１０（ａ）に示すように、出力外輪２８，ローラ２９，保持器３０，入力軸３１（カムともいう），スイッチばね３２によって構成される。スイッチばね３２を電磁スイッチ（図に示していない）により制御することで、保持器３０，ローラ２９の位置を移動することが可能であり、図１０（ｂ），図１０（ｃ），図１０（ｄ）に示したようにローラ２９の位置を制御できる。図１０（ｂ），（ｄ）では、シャフト３の回転に連動して出力外輪２８を回転させることができ、図１０（ｃ）ではシャフト３の動力が出力外輪２８に伝わらず、出力外輪２８は回転しない。本実施例によれば、分割された回転子２６Ａ〜２６Ｇのそれぞれをシャフトについて回転させるか、回転させないかによって、界磁用有効磁束を最大磁束の０倍，１／７倍，２／７倍，３／７倍，４／７倍，５／７倍，６／７倍，１倍に変化させることができる。言い換えると、８変速することができる。回転子２６Ａ〜２６Ｇの各回転子間には界磁用磁石により吸引力，反発力が発生するため、隣の永久磁石の影響を避けるように回転子間には非磁性体材料を設けることが好ましい。
【００３２】
本実施例では、７分割回転子を説明したが、限定されるものではない。同じ原理で何分割でもよい。回転数とトルクに応じて有効磁束を可変することにより、効率を向上させることができる。
【実施例５】
【００３３】
本実施例では、本発明で提案した回転電機をハイブリッド自動車の駆動装置に適用した例について説明する。
【００３４】
図１１はハイブリッド自動車の駆動装置の配置構成を示す。ハイブリッド自動車の駆動装置は、車両の駆動力を発生する内燃機関であるエンジン３３と、車両の変速機であるトランスミッション３５との間に永久磁石型同期回転電機３４が機械的に連結されて構成されている。前記回転電機は、実施例１又は実施例２又は実施例３又は実施例４の回転電機の特徴を有する回転電機である。エンジン３３と回転電機３４との連結には、図示省略したエンジン３３の出力軸と回転電機３４の回転軸を直結する方法、或いは遊星歯車減速機構などで構成された変速を介して連結する方法を採られている。回転電機３４は、電動機或いは発電機として動作するので、回転電機３４には、電力変換器であるインバータ３６を介して蓄電手段であるバッテリ３７に電気的に接続されている。回転電機３４を電動機として用いる場合は、バッテリ３７から出力された直流電力をインバータ３６で交流電力に変換して回転電機３４に供給する。これにより、回転電機３４は駆動される。回転電機３４の駆動力は、エンジン３３の始動用或いはアシスト用として用いられる。回転電機３４を発電機として用いる場合は、回転電機３４によって発電された交流電力をインバータ３６（コンバータ機能）で直流電力に変換してバッテリ３７に供給する。これにより、変換された直流電力はバッテリ３７に蓄電される。
【００３５】
従来の永久磁石同期回転電機は、回転数の上昇と共に磁石による逆起電力が大きくなるため、バッテリ，インバータの制約により高回転領域で駆動するのが困難であった。高回転領域で回転電機を駆動する方式として、電流により永久磁石の界磁用磁束を等価的に弱める弱め界磁制御があるが、トルクに寄与しない電流を流すため効率の低下を招いていた。回転電機は本発明の磁束可変型回転電機を用いることで、回転数，トルクに応じて機械的に最適な界磁用有効磁束を発生させることができる。従って、逆起電力によるバッテリやインバータの制約が低減でき、さらにトルクに寄与しない電流を流さないため、効率を向上させることができる。
【００３６】
本実施例によれば、本発明の回転電機を導入すると、インバータの耐圧を低減することができるため、インバータ容量を低減できる。その結果、インバータのコスト，体積の低減を図ることができる。さらに、本発明の磁束可変型回転電機は、広い回転速度範囲での高効率運転ができるため、変速ギア段の減少、または変速ギアの省略を実現することが可能となる。従って、駆動装置全体の小型化を図ることもできる。
【実施例６】
【００３７】
本実施例では、本発明で提案した回転電機をハイブリッド自動車の駆動装置に適用した例について説明する。
【００３８】
図１２は、実施例１又は実施例２又は実施例３又は実施例４の回転電機が搭載される自動車の駆動装置の配置構成を示す。本実施例の駆動装置は、エンジン３３のクランクプーリ３８と、回転電機３４のシャフトに結合されたプーリ４０が金属ベルト３９で連結されたものである。従って、エンジン３３回転電機３４は並列に配置されている。また、本実施例の自動車の駆動装置においては、回転電機３４を電動機単体或いは発電機単体もしくはモータ・ジェネレータのどの形で用いてもよい。本実施例によれば、クランクプーリ３８，金属ベルト３９，プーリ４０によって、エンジン３３と回転電機３４の間にある速度比をもった変速機構を構成することができる。例えば、クランクプーリ３８とプーリ４０の半径比を２：１にすることにより、回転電機３４をエンジン３３の２倍の速度で回転させることができ、エンジン３３の始動時，回転電機３４のトルクをエンジン３３の始動時に必要なトルクの１／２にすることができる。従って、回転電機３４を小型化することができる。
【００３９】
また、実施例１又は実施例２又は実施例３又は実施例４の回転電機が用いられる自動車の実施形態を列挙すると次の通りである。
【００４０】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、内燃機関のクランク軸と機械的に連結され、バッテリから供給された電力によって駆動されて内燃機関を駆動すると共に、内燃機関からの動力によって駆動されて発電し、バッテリにその発電電力を供給するモータ・ジェネレータと、モータ・ジェネレータに供給される電力及びモータ・ジェネレータから供給された電力を制御する電力変換装置と、電力変換装置を制御する制御装置とを有し、モータ・ジェネレータが実施例１又は実施例２又は実施例３又は実施例４の回転電機で構成された自動車。この自動車は、内燃機関で車輪を駆動する通常の自動車、或いは内燃機関とモータ・ジェネレータで車輪を駆動するハイブリッド自動車である。
【００４１】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、バッテリから供給された電力によって駆動されて車輪を駆動すると共に、車輪からの駆動力を受けて発電し、バッテリにその発電力を供給するモータ・ジェネレータと、モータ・ジェネレータに供給された電力及びモータ・ジェネレータから供給された電力を制御する電力変換装置と、電力変換装置を制御する制御装置を有し、モータ・ジェネレータが実施例１又は実施例２又は実施例３又は実施例４の回転電機で構成された自動車。この自動車は、内燃機関とモータ・ジェネレータで車輪を駆動するハイブリッド自動車である。
【００４２】
電力の充放電を行うバッテリと、バッテリから供給された電力によって駆動されて車輪を駆動すると共に、車輪からの駆動力を受けて発電し、バッテリにその発電電力を供給するモータ・ジェネレータと、モータ・ジェネレータに供給される電力及びモータ・ジェネレータから供給された電力を制御する電力変換装置と、電力変換装置を制御する制御装置とを有し、モータ・ジェネレータが実施例１又は実施例２又は実施例３又は実施例４の回転電機で構成された自動車。この自動車は、回転電機で車輪を駆動する電気自動車である。
【実施例７】
【００４３】
本実施例では、本発明で提案した回転電機を洗濯機の電動機に適用した例について説明する。
【００４４】
洗濯機の従来技術で、電動機のトルクはプーリを介してベルトとギアによりトルクを伝達する場合、ベルトとギアの摺動，打撃音などの騒音が大きい問題がある。また、電動機のトルクを直接回転体や脱水槽に伝達するためのダイレクトドライブ方式では、電気的な弱め界磁制御技術により高速運転領域を広げることは、弱め界磁電流による発熱や効率低下などにより限界がある。前記ダイレクトドライブ方式は減速機構がないために、低速高トルクの洗いや濯ぎ行程と高速大出力の脱水行程の広範囲速度領域を賄う電動機の体格は大型になる。
【００４５】
電動機として本発明の磁束可変型回転電機を用いて、洗いもしくは濯ぎ行程で、電動機の分割された回転子の同極性の中心が揃えるようにすれば、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を多くして、高トルク特性が得られる。一方、脱水行程のような高速回転領域において運転する時は、相対的に回転できる回転子を同極性磁極の中心がずれる方向に回転させれば、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると機械的な弱め界磁効果があり、高回転領域において定出力特性が得られる。
【実施例８】
【００４６】
本実施例は、本発明で提案した回転電機を風力発電システムの発電機に適用した例について説明する。
【００４７】
従来の風力発電システムの発電機において、低速領域で高トルクが得られるが、回転数の可変範囲が狭いために高速領域の運転は困難であった。そこで、電気的な弱め界磁制御技術により高速運転領域を広げることが考えられる。また、風力発電システムの発電機は広い速度範囲で所定の出力を確保するためにギア機構やピッチモータなどを備えて、さまざまな風速条件に対応できるようにした。発電機の各相巻線を主軸の回転速度に応じて巻線切り替え装置を用いて、低速用巻線と高速用巻線に切り替えて駆動するようにしているものもある。電気的な弱め界磁制御により高速運転領域を広げることは、弱め界磁電流による発熱や効率低下などにより限界がある。各相巻線を主軸の回転速度に応じて巻線切り替え装置を用いた場合は、発電機本体からのリード線の数が多く、さらに巻線切り替え制御装置とその構造が複雑になる問題などがある。
【００４８】
実施例１又は実施例２又は実施例３又は実施例４の回転電機で構成された回転電機を用いた風力発電システムの発電機が風力の広い範囲で高効率を行う実施例として、分割された回転子は以下の状態で運転されればよい。風が弱い低速回転領域においては、回転子の同極性磁極の中心が揃えるようにして、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を多くし、高出力特性が得られるようにする。一方、風が強い高速回転領域においては、相対的に回転できる回転子を同極性磁極の中心がずれる方向に回転させれば、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると機械的な弱め界磁効果があり、高回転領域において定出力特性が得られる。
【００４９】
本実施例によれば、機械的に永久磁石の界磁用有効磁束量を可変できるという効果がある。特に、風力発電システムの主軸発電機の機械的な弱め界磁が簡単にでき、広範囲可変速制御には大きな効果がある。発電機構造が簡単になることにより、発電機が軽量になるため、タワーの構造が簡単になるという効果がある。
【実施例９】
【００５０】
本実施例では、本発明で提案した回転電機を輸送車両の電動機・発電機に適用した例について説明する。
【００５１】
永久磁石同期電動機は誘導電動機に比べ高効率であり、小型軽量化に有利である。また、高効率であることは消費電力量やＣＯ2排出量の削減も期待できる。輸送車両の駆動用電動機は小型軽量であることが強く求められるため、永久磁石同期電動機は有力な候補である。また、電動機だけでなくインバータも含めた主回路全体の軽量化が求められる。主変換装置保護の観点から、永久磁石による逆誘起電圧は、そのピーク値が少なくとも直流中間回路電圧の過電圧保護動作設定値を超えないように設計すべきである。しかし、そのように電動機を設計した場合、必要とするインバータ容量を増大させてしまう。
【００５２】
前記電動機は本発明の磁束可変型回転電機を用いる場合、低速大トルクで、電動機の分割された回転子の同極性の中心が揃えるようにすれば、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を多くして、高トルク特性が得られる。一方、高速回転領域において運転する時は、相対的に回転できる回転子を同極性磁極の中心がずれる方向に回転させれば、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると機械的な弱め界磁効果があり、高回転領域において定出力特性が得られる。
【００５３】
本実施例によれば、機械的に永久磁石の界磁用有効磁束量を可変できるという効果がある。また、輸送車両の発電機の機械的な弱め界磁が簡単にでき、広範囲可変速制御には大きな効果がある。さらに、機械的に有効磁束を可変することにより、逆誘起電圧を抑えることができる。その結果、インバータの容量を低減することができる。従って、インバータのコスト低減や駆動装置全体の小型化を図ることもできる。
【００５４】
以上説明した実施例の形態は例示であって制限的なものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明により、負荷変動の大きい移動体，自動車，風力発電システム，輸送車両に用いる回転電機とそれを用いた移動体，自動車，電気製品，風力発電システム，輸送車両を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施例１の回転電機構成。
【図２】図１の回転電機の回転子の動作説明図。
【図３】実施例２の回転電機の回転子の動作説明図。
【図４】ワンタッチ機構の動作説明図。
【図５】ワンタッチ機構を用いた回転電機の回転子の動作説明図。
【図６】三等分割の回転電機構成。
【図７】実施例３の機構の動作説明図。
【図８】図７の機構を用いた回転電機の回転子の動作説明図。
【図９】回転子が四分割以上になる回転電機構造。
【図１０】ツーウェイクラッチ構造。
【図１１】実施例５のハイブリッド自動車の駆動装置の配置構成図。
【図１２】実施例６のハイブリッド自動車の駆動装置の配置構成図。
【符号の説明】
【００５７】
１  固定子鉄心
２  電機子巻線
３  シャフト
４  ブラケット
５  第１回転子
５Ａ  第１回転子永久磁石
６  第２回転子
６Ａ  第２回転子永久磁石
７  非磁性体材料
８  軸受
９，１８，２５  ストッパー
１０  アクチュエータ
１１  スプライン
１２  第３回転子
１２Ａ  第３回転子永久磁石
１３  ワンタッチ構造
１４  本体
１５  コレット
１６  グリップ
１７  差込棒
１９  連動機構
２０  溝
２１  可動くさび
２２  ばね
２３  可動くさびの連動支持体
２４  凸部
２６Ａ〜２６Ｇ  分割回転子
２７  ツーウェイクラッチ
２８  出力外輪
２９  ローラ
３０  保持器
３１  入力軸
３２  スイッチばね
３３  エンジン
３４  回転電機
３５  トランスミッション
３６  インバータ
３７  バッテリ
３８  クランクプーリ
３９  金属ベルト
４０  プーリ
【図１】
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【図２】
2010154699.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010154699.tif 000006
【図５】
2010154699.tif 000007
【図６】
2010154699.tif 000008
【図７】
2010154699.tif 000009
【図８】
2010154699.tif 000010
【図９】
2010154699.tif 000011
【図１０】
2010154699.tif 000012
【図１１】
2010154699.tif 000013
【図１２】
2010154699.tif 000014