(57)【要約】【課題】相反する順突極特性と逆突極特性を併せ持つことで強め界磁制御と弱め界磁制御を効率的に行うことができるようにして、高トルクと高回転（高出力）を両立した広範囲な運転を可能とする電動機を提供する。【解決手段】電動機は、界磁用のコイルおよび該コイルを巻回するためのティースを有する固定子１２と、複数の永久磁石１３を有し、固定子１２に対して回転軸を中心として回転自在に装着された回転子４１とを有する。永久磁石１３は、回転軸を中心とした外周部分に、異なる磁極が直線状に並ぶように配置されている。この電動機はさらに、回転子４１の外周側と永久磁石１３の異なる磁極間との間に設けられ、回転子４１内の短絡磁束量を変化させる磁束短絡機構４３を備える。【選択図】図８
2010154755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁用のコイルおよび該コイルを巻回するためのティースを有する固定子と、
複数の永久磁石を有し、前記固定子に対して回転軸を中心として回転自在に装着された回転子と、
を有する電動機であって、
前記永久磁石は、前記回転軸を中心とした外周部分に、異なる磁極が直線状に並ぶように配置されており、
前記回転子の外周側と前記永久磁石の異なる磁極間との間に設けられ、前記回転子内の短絡磁束量を変化させる磁束短絡機構を備える、
ことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記磁束短絡機構は、前記永久磁石の異なる磁極間のフラックスバリアにコイルを配置した構成を有することを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記磁束短絡機構は、前記永久磁石の異なる磁極間のフラックスバリアを透磁率の変更が可能な部材により形成した構成を有することを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項４】
前記磁束短絡機構は、前記永久磁石の異なる磁極間のフラックスバリアを磁石付き回転部材により形成した構成を有する請求項１に記載の電動機。
【請求項５】
前記磁束短絡機構は、前記永久磁石の異なる磁極間のフラックスバリアを磁気異方性回転部材により形成した構成を有する請求項１に記載の電動機。
【請求項６】
前記磁束短絡機構は、前記永久磁石の異なる磁極間のフラックスバリアに、付勢部材に接続された磁性体を装着した構成を有する請求項１に記載の電動機。
【請求項７】
前記磁束短絡機構は、前記永久磁石の異なる磁極間のフラックスバリアを、前記回転子内のギャップ、前記ギャップ内の磁性流体及び非磁性流体、前記磁性流体及び前記非磁性流体を仕切る仕切り部材により形成した構成を有する請求項１に記載の電動機。
【請求項８】
前記回転子は、磁石トルクを得るための主となる第１回転子、及び前記回転子内の短絡磁束を発生させるための第２回転子を有し、
前記磁束短絡機構は、前記第１回転子と前記第２回転子の位相制御を行う構成を有する請求項１に記載の電動機。
【請求項９】
前記回転子は、回転子軸方向に分割した複数の回転子を有し、
前記磁束短絡機構は、前記複数の回転子の位相制御を行う構成を有する請求項１に記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動機に関し、特に、永久磁石を備えた回転子とコイルを備えた固定子を有し、順突極構造と逆突極構造の二種類の構造を選択することができる電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コイルを備えた円筒形の固定子と、この固定子の内側に配置されて永久磁石が埋め込まれた回転子を有する、永久磁石（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ ：ＰＭ）モータが知られている。ＰＭモータは、固定子に配置された複数のコイルに、順次、電流を流すことで、コイルに発生した回転磁界と回転子の永久磁石による磁界との相互作用により、回転子を回転させている。このようなＰＭモータでは、電流を流すコイルを、順次、切り替えて行く速度に応じて、回転数を制御している。
【０００３】
つまり、ＰＭモータにおいては、永久磁石を備えた回転子の回転により、固定子に、回転子の回転数に応じた誘導起電力が生じるが、この誘導起電力は、固定子のコイルに外部から印加される電圧を打ち消す方向に発生する。そのため、ＰＭモータの最大回転数は、かかる誘起電圧が外部からコイルに印加する電圧以下となるように、制限される。
【０００４】
例えば、従来のＰＭモータである「電動機」（特許文献１参照）では、高回転時に回転子内で磁束が流れる経路を形成し固定子に流れる磁束量を減らすことで、誘起電圧の低減が可能になるように、外回転子と内回転子の位相差を制御する。
【０００５】
ところで、モータの制御において、高トルクを得ることができる強め界磁制御と、逆起電力を減少させて駆動電流を流れ易くし高回転を可能にする弱め界磁制御が知られており、強め界磁制御には順突極特性の構造、弱め界磁制御には逆突極特性の構造が適している。このため、順突極構造と逆突極構造の二種類の構造を任意に選択することができれば、高トルクと高回転（高出力）を両立することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−０７２９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のＰＭモータである「電動機」においては、順突極構造と逆突極構造の二種類の構造を任意に選択するようなことはできない。そのため、高トルクと高回転（高出力）を両立することができなかった。
【０００８】
この発明の目的は、相反する順突極特性と逆突極特性を併せ持つことで強め界磁制御と弱め界磁制御を効率的に行うことができるようにして、高トルクと高回転を両立した広範囲な運転を可能とする電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、この発明に係る電動機は、界磁用のコイルおよび該コイルを巻回するためのティースを有する固定子と、複数の永久磁石を有し、固定子に対して回転軸を中心として回転自在に装着された回転子とを有し、永久磁石は、回転軸を中心とした外周部分に、異なる磁極が直線状に並ぶように配置されている。この電動機は、回転子の外周側と永久磁石の異なる磁極間との間に設けられ、回転子内の短絡磁束量を変化させる磁束短絡機構を備える。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、複数の磁石が配置された回転子に設けた磁路切り換え部により、回転子の磁路を切り換えて、順突極構造としての強め界磁制御或いは逆突極構造としての弱め界磁制御が選択される。このため、相反する順突極特性と逆突極特性を併せ持つことで強め界磁制御と弱め界磁制御を効率的に行うことができるようになり、高トルクと高回転を両立した広範囲な運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の第１実施の形態に係る電動機を半径方向で断面し固定子と回転子について示す説明図である。
【図２】図１の回転子を示し、（ａ）は磁路切り換え部により順突極特性を示している平面図、（ｂ）は磁路切り換え部により逆突極特性を示している平面図である。
【図３】この発明の第２実施の形態に係る回転子を示し、（ａ）は磁路切り換え部により順突極特性を示している平面図、（ｂ）は磁路切り換え部により逆突極特性を示している平面図である。
【図４】この発明の第３実施の形態に係る回転子の平面図である。
【図５】図４の磁気素子の構成を示し、（ａ）は電圧を印加したときの説明図、（ｂ）は電圧を印加しないときの説明図である。
【図６】この発明に係る電動機の位相制御機構の一例を示し、（ａ）は回転軸に沿って断面した概略説明図、（ｂ）は油圧機構を説明する平面図である。
【図７】この発明に係る電動機の位相制御機構の他の例を示し、（ａ）は回転軸に沿って断面した概略説明図、（ｂ）は油圧機構を説明する平面図である。
【図８】この発明の第５実施の形態に係る電動機の短絡磁束量可変機構の一例を示す回転軸に沿って断面した概略説明図である。
【図９】この発明の第６実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。
【図１０】この発明の第７実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。
【図１１】この発明の第８実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。
【図１２】この発明の第９実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。
【図１３】この発明の第１０実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の斜視説明図、（ｂ）は高回転時の斜視説明図である。
【図１４】この発明の第１１実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。
【図１５】この発明の第１２実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の斜視説明図、（ｂ）は高回転時の斜視説明図である。
【図１６】第５実施の形態における給電機構の一例を示す回転子の１８０度モデル断面説明図である。
【図１７】第１０実施の形態における位相制御機構の一例を示す回転軸に沿う断面図である。
【図１８】第１２実施の形態における位相制御機構の一例を示し、（ａ）は回転軸に沿って断面した概略説明図、（ｂ）は油圧機構を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この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説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る電動機を半径方向で断面し固定子と回転子について示す説明図である。図１に示すように、電動機（モータ）１０は、回転子（ロータ）１１と固定子（ステータ）１２を有しており、回転子１１は磁石（永久磁石）１３を、固定子１２は界磁用のコイル１４を、それぞれ備えている。回転子１１は、回転子表面に対し直交配置された回転軸１５を有し、回転軸１５は、ケース（図示しない）に回動自在に保持されている。
【００１３】
固定子１２は、円環状に形成された強磁性体からなる積層鋼板を、回転軸１５の中心軸方向に沿って積み重ねた円筒形状に形成されている。固定子１２の内周側には、回転磁界を発生させるコイル１４を巻回するためのスロット１６が複数個、内周方向に略等間隔離間して配置されると共に回転軸１５に向けて突設されている。
【００１４】
この固定子１２に対して回転自在に装着された回転子１１は、固定子１２と同様、円環状に形成された強磁性体からなる積層鋼板を、回転軸１５の中心軸方向に積み重ねた円筒形状に構成されている。回転子１１の外周部分には、円周方向に沿って、所定数（この例では、８個）の磁石１３が、それぞれ略等間隔離間すると共に、Ｎ極とＳ極が２個ずつ交互に配置され、固着されている。各磁石１３の配列方向外側には、回転子半径方向に沿ってエアギャップ１７が設けられ、隣接するエアギャップ１７の間、即ち、隣接する磁石１３，１３の間には、エアギャップ１７を挟んで磁路切り換え部１８が設けられている。
【００１５】
磁路切り換え部１８は、磁気異方性を持つ部材からなり、磁気異方性を変化させることにより、回転子１１の磁路を切り換えて、順突極構造としての強め界磁制御或いは逆突極構造としての弱め界磁制御を選択することができる。つまり、磁路切り換え部１８は、回転子１１の同極磁石１３間を結ぶ磁路と異極磁石１３間を結ぶ磁路に配置された磁気異方性を持つ部材からなり、この部材の磁気異方性を変化させることにより順突極構造と逆突極構造を切り換える。磁気異方性を持つ部材は、例えば、真ん中にスリットが入った電磁鋼板で構成することができる。なお、磁路の切り換えを行う場合、磁路切り換え部１８は全て同期して作動する。
【００１６】
図２は、図１の回転子を示し、（ａ）は磁路切り換え部により順突極特性を示している平面図、（ｂ）は磁路切り換え部により逆突極特性を示している平面図である。図２（ａ）に示すように、回転子１１は、同極（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極）の磁石１３，１３間の磁路切り換え部１８が回転子半径方向に異方性を持ち、異極（Ｎ極とＳ極）の磁石１３，１３間の磁路切り換え部１８が回転子周方向に異方性を持っている。このため、回転子１１は、順突極構造となり順突極特性を示す。
【００１７】
図２（ｂ）に示すように、回転子１１は、同極（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極）の磁石１３，１３間の磁路切り換え部１８が回転子周方向に異方性を持ち、異極（Ｎ極とＳ極）の磁石１３，１３間の磁路切り換え部１８が回転子半径方向に異方性を持っている。このため、回転子１１は、逆突極構造となり逆突極特性を示す。
【００１８】
このように、回転子１１に磁路切り換え部１８を設け、低速回転時には、磁路の切り換えにより順突極構造として、高トルクを得る強め界磁制御を行い、規定速度以上の高速回転時には、磁路の切り換えにより逆突極構造として、弱め界磁制御を行うことができる。
【００１９】
従って、この回転子１１を有する電動機１０は、相反する順突極特性と逆突極特性を併せ持ち、強め界磁制御と弱め界磁制御を効率的に行うことができるため、高トルクと高回転を両立した広範囲な運転を可能とする。また、順突極構造の強め界磁制御により、磁束を増加させるため、一般的な埋込磁石型（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）モータと同一磁束の場合、磁石量を減らすことができる。更に、磁石量の低減は、コスト低減に留まらず規定速度の高回転化に繋がり、より広範囲な運転が可能になる。
【００２０】
（第２実施の形態）
図３は、この発明の第２実施の形態に係る回転子を示し、（ａ）は磁路切り換え部により順突極特性を示している平面図、（ｂ）は磁路切り換え部により逆突極特性を示している平面図である。図３に示すように、この回転子２０は、磁路の切り換えを、各磁石１３の回転子半径方向内側に、回転子平面に沿って回動可能に設けた磁路切り換え部２１を用いて行っている。この磁路切り換え部２１に対応して、同極の磁石１３，１３間に並設された両エアギャップ１７，１７は、磁路切り換え部２１の外周縁まで延長されている。その他の構成及び作用は、第１実施の形態の回転子１１と同様である。
【００２１】
磁路切り換え部２１は、例えば、ＳＲ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ）モータの回転子のような形状を有しており、磁路切り換え部２１の円盤状表面外周部分の、等間隔離間する４箇所に配置された、磁路切り換え部２１の外周を一部とする略扇形のエアギャップ２２を有している。
従って、回転子２０は、磁路切り換え部２１を回動操作することにより、同極の磁石１３間の位相と磁路切り換え部２１の突極部の位相が一致した順突極特性（（ａ）参照）、或いは異極の磁石１３間の位相と磁路切り換え部２１の突極部の位相が一致した逆突極特性（（ｂ）参照）を示す。
【００２２】
このように、磁路切り換え部２１は、回転子１１に設けられて、回転子１１の同極磁石１３間の位相或いは異極磁石１３間の位相と選択的に位相を一致させることができる突極部を有する部材からなり、この部材の一致対象を変えることにより順突極構造と逆突極構造を切り換える。即ち、回転子２０は、磁石トルクを得ることを主とする第１の回転子として、磁路切り換え部２１は、磁路を可変にする第２の回転子として、それぞれ機能する。そして、回転子２０と磁路を可変にする磁路切り換え部２１の間の位相制御により、順突極構造と逆突極構造を切り換えるため、高トルクと高回転を両立した広範囲な運転が可能になる。
【００２３】
（第３実施の形態）
図４は、この発明の第３実施の形態に係る回転子の平面図である。図４に示すように、回転子２５は、隣接する両エアギャップ１７，１７の間に複数の磁気素子２６を配置し、磁路切り換え部２１に代えて、エアギャップ２７及びエアギャップ２７に配置した複数の磁気素子２８を設けている。その他の構成及び作用は、第２実施の形態の回転子２０と同様である。
【００２４】
図５は、図４の磁気素子の構成を示し、（ａ）は電圧を印加したときの説明図、（ｂ）は電圧を印加しないときの説明図である。図５に示すように、磁気素子２６と磁気素子２８は、同様の構成を有しており、磁歪素子２６ａ（２８ａ）と、磁歪素子２６ａ（２８ａ）を両側から挟み込む２個の圧電素子２６ｂ，２６ｂ（２８ｂ，２８ｂ）を有している。
【００２５】
この圧電素子２６ｂ（２８ｂ）に電圧を印加すると、圧電素子２６ｂ（２８ｂ）が収縮した状態（（ａ）参照）となるが、その後、圧電素子２６ｂ（２８ｂ）への電圧印加を停止すると、圧電素子２６ｂ（２８ｂ）が元に戻って収縮する前の状態になり、両圧電素子２６ｂ，２６ｂ（２８ｂ，２８ｂ）に挟み込まれた磁歪素子２６ａ（２８ａ）を両側から圧迫する（（ｂ）参照）。つまり、磁歪素子２６ａ（２８ａ）に応力を加えると透磁率が変化するので、圧電素子２６ｂ（２８ｂ）への電圧印加の有無によって、磁気素子２６（２８）において透磁率を変化させることが可能になる。
【００２６】
エアギャップ２７は、同極の磁石１３，１３間に並設された両エアギャップ１７，１７に外周が接する円環状に形成されており、このエアギャップ２７の、両エアギャップ１７，１７間に配置された各磁気素子２６に対応する位置に、磁歪素子２８ａを配置する。つまり、各磁気素子２６（２８）を、隣接する同極の磁石１３，１３間を結ぶ磁路と、隣接する異極の磁石１３，１３間を結ぶ磁路で極性が異なるように配置する。そして、圧電素子２６ｂ（２８ｂ）に、スリップリングや非接触回転トランス等で給電を行い、給電時の極性の変化により順突極構造と逆突極構造を切り換える。これにより、高トルクと高回転を両立した広範囲な運転が可能になる。
【００２７】
このように、磁気素子２６は、回転子１１の同極磁石１３間を結ぶ磁路と異極磁石１３間を結ぶ磁路に配置された、収縮変化する圧電素子２６ｂ（２８ｂ）と圧電素子２６ｂ（２８ｂ）に挟み込まれ圧電素子２６ｂ（２８ｂ）の変化に対応して透磁率を変化させる磁歪素子２６ａ（２８ａ）を有しており、磁路切り換え部として機能する。この磁歪素子２６ａ（２８ａ）が透磁率を変化させることにより順突極構造と逆突極構造を切り換えることができる。
【００２８】
（第４実施の形態）
図６は、この発明の第４実施の形態に係る電動機の位相制御機構の一例を示し、（ａ）は回転軸に沿って断面した概略説明図、（ｂ）は油圧機構を説明する平面図である。図７は、この発明に係る電動機の位相制御機構の他の例を示し、（ａ）は回転軸に沿って断面した概略説明図、（ｂ）は油圧機構を説明する平面図である。
【００２９】
この発明に係る回転子１１（図２参照）の磁路切り換え部１８、及び回転子２０（図３参照）の磁路切り換え部２１は、例えば、エンジンバルブタイミング調整装置に使われている油圧を用いた位相制御機構（特開２００４−２４５１９２号公報参照）を用いることで、実現することができる。
【００３０】
図６に示すように、ハウジング３０内部に、シャフト３１により回動自在に軸支された回転子１１（図２参照）の磁路切り換え部１８の場合、回転子１１の内部に位相稼動部３２を設けて、位相稼動部３２の油室３２ａに作動油３３を入れ、進角油室の作動油３３ａと遅角油室の作動油３３ｂのどちらか一方を供給し他方を排出する。これにより、回転子１１と位相稼動部３２との間に位相差が発生する。このとき、位置センサ等（図示しない）を用いることで、正確な位置制御が可能になる。順突極特性（図２（ａ）参照）と逆突極特性（図２（ｂ）参照）の切り換えを行う場合は、位相稼動部３２と磁路切り換え部１８（磁気異方性を持つ部材）にそれぞれ歯車３４，３５を取り付け、両歯車３４，３５を噛合させることにより磁路の切り換えを行う。
【００３１】
図７に示すように、ハウジング３０内部に、シャフト３１により回動自在に軸支された回転子２０（図３参照）の磁路切り換え部（第２の回転子）２１の場合、回転子２０の内部に、位相稼動部３６を設けて、位相稼動部３６の油室３６ａに作動油３３を入れ、進角油室の作動油３３ａと遅角油室の作動油３３ｂのどちらか一方を供給し他方を排出する。これにより、回転子２０と位相稼動部３６との間に位相差が発生する。このとき、位置センサ等（図示しない）を用いることで、正確な位置制御が可能になる。順突極特性（図３（ａ）参照）と逆突極特性（図３（ｂ）参照）の切り換えを行う場合は、位相稼動部３６と磁路切り換え部２１を接続することで切り換えを行なう。
【００３２】
なお、上記各実施の形態で示した回転子の磁石外側半径方向に、例えば、スリット状のフラックスバリアを一つ以上設けることにより、磁路切り換え部によって得られる効果をより高めることができる。このスリット状のフラックスバリアを設けて、回転子内の短絡磁束量を変化させることができる機構について、以下に説明する。
【００３３】
（第５実施の形態）
図８は、この発明の第５実施の形態に係る電動機の短絡磁束量可変機構の一例を示す回転軸に沿って断面した概略説明図である。図８に示すように、電動機４０は、固定子１２に対して回転自在に装着された回転子４１を有し、回転子４１の外周部分には、所定数（この例では、８個）の磁石１３が、Ｎ極とＳ極を直線状に密着並置した一対ずつを隣接間隙を設けて、矩形状に配置されている。
【００３４】
Ｎ極とＳ極の一対の磁石１３の両端及び接合部には、回転子半径方向に沿って、漏れ磁束低減用のフラックスバリア（スリット）４２が設けられており、磁石１３の両端のフラックスバリア４２,４２に挟まれて、エアギャップ１７が形成されている。磁石１３の接合部である磁石異極（Ｎ極とＳ極）間のフラックスバリア４２には、コイル４３が配置されている。その他の構成及び作用は、第１実施の形態の回転子１１及び固定子１２（図１参照）と同様である。
【００３５】
磁石異極間のフラックスバリア４２に配置されたコイル４３に、例えば、スリップリング等で給電し、回転子４１の回転数に応じてコイル４３に流す電流量と方向を制御することにより、磁束量と磁極の方向を制御することができ、高トルク、高出力を実現することができる。更に、コイル４３のティース部を、磁性体の代わりに低保持力の永久磁石を用いて形成すれば、磁極の方向を変えるときだけ電流を流せば良く、効率向上につながる。
【００３６】
また、コイル４３のティース部が磁性体ならば、低回転時のみ電流を流し電磁石とすることで、磁力量を増加させ、且つ、フラックスバリア４２の効果を得ることができ、高回転時は電流を流さないことで、コイル４３は磁性体となり回転子４１内で短絡電流を発生させる。このため、コイル４３に流す電流の方向を固定し電流量のみを制御することにより、高トルク、高出力を実現することができる。同様に、コイル４３のティース部が非磁性体ならば、回転数に応じて発電量が増加する機構を設けることで、低回転時はフラックスバリア４２となり、高回転時は回転子４１内の短絡磁束を発生させる電磁石となって、速度領域の広域化を受動的に行うことができる。
【００３７】
つまり、コイル４３は、回転子４１内の短絡磁束量を変化させることができる磁束短絡機構として機能する。従って、フラックスバリア４２に配置されたコイル４３により、コイル１４を有する固定子１２と、磁石１３を有し、磁石異極（Ｎ極とＳ極）間と異極間の磁路より磁石同極（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極）間と同極間の磁路の方が磁気抵抗の小さい回転子４１からなる電動機にあって、回転数に応じて回転子４１内の短絡磁束量を変化させることができる。
【００３８】
ところで、上述した、従来のＰＭモータにおいては、モータの最大回転数は誘起電圧が外部からコイルに印加する電圧以下となるように制限されており、例えば、「磁束量可変磁石型ロータ」（特開２００４−２４２４６２号公報参照）では、遠心力を用いてフラックスバリアで遮断された磁路を磁束短絡部材で短絡させることにより、高回転化を実現している。しかしながら、従来の「磁束量可変磁石型ロータ」においては、磁路を遮断している異極間のフラックスバリアを短絡させるのに伴いインダクタンス比が減少するため、リラクタンストルクが減少してしまうことが避けられなかった。
【００３９】
また、従来の逆突極型の電動機では、磁石を減磁させないために、減磁方向に電流を流す弱め界磁制御の代わりに、異極間のフラックスバリアを短絡させているが、リラクタンストルクを得るためには、結局、減磁方向に電流を流す必要があり、減磁のリスクを負うことになる。
【００４０】
これに対し、磁束短絡機構として機能するコイル４３をフラックスバリア４２に配置することにより、回転数に応じて回転子４１内の短絡磁束量を変化させることが可能になり、高回転化を実現することができる。これにより、高回転化に不向きではあるが、減磁し難く、熱に強いといった特徴を持つ強め界磁制御で、高回転化を実現することができる。この結果、強め界磁制御で最大トルクを発生させる順突極型の電動機は、弱め界磁制御で最大トルクとなる逆突極型の電動機に比べ、磁束短絡機構により磁路を短絡させた場合、インダクタンス比の減少が小さいため、リラクタンストルクを高回転でも大きくとることができる。
【００４１】
（第６実施の形態）
図９は、この発明の第６実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。図９に示すように、回転子４５は、コイル４３を設けず、磁石異極間のフラックスバリアを、透磁率の変更が可能な部材、例えば、一対の圧電素子４６ａ，４６ａの間に磁歪素子４６ｂを挟み込んだ磁気素子４６、により形成している。その他の構成及び作用は、第５実施の形態の回転子４１（図８参照）と同様である。なお、磁気素子４６の構成及び作用は、磁気素子２６或いは磁気素子２８（図５参照）と同様である。
【００４２】
回転子４５の低回転時、圧電素子４６ａに印加する電圧を開放若しくは動作電圧未満にすることで、圧電素子４６ａが磁歪素子４６ｂを圧迫する（（ａ）参照）ため、透磁率が下がり、フラックスバリアの役割を果たす。回転子４５の高回転時、圧電素子４６ａに動作電圧を印加することで、圧電素子４６ａが収縮し、圧迫されていた磁歪素子４６ｂが元に戻る（（ｂ）参照）。このため、透磁率が上がって、回転子４５内で短絡磁路が形成されるので、誘起電圧が低減され、速度領域の広域化に繋がる。
【００４３】
（第７実施の形態）
図１０は、この発明の第７実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。図１０に示すように、回転子５０は、コイル４３を設けず、磁石異極間のフラックスバリアを、磁石付き回転部材５１により形成している。磁石付き回転部材５１は、円盤を二分割して一方側がＮ極、他方側がＳ極に形成され、回転子５０に回転自在に装着されている。その他の構成及び作用は、第５実施の形態の回転子４１（図８参照）と同様である。
【００４４】
回転子５０の低回転時、磁石付き回転部材５１は、磁石付き回転部材５１のＮ極とＳ極がそれぞれ主磁石１３と同極同士になるように位相制御される（（ａ）参照）。これにより、磁石１３の磁束が増加し、高トルクを得ることができる。回転子５０の高回転時、磁石付き回転部材５１は、磁石付き回転部材５１のＮ極とＳ極がそれぞれ主磁石１３と異極同士になるように位相制御される（（ｂ）参照）。これにより、磁石１３の磁束が回転子５０内で短絡することになり、誘起電圧が低減され、速度領域の広域化に繋がる。
【００４５】
（第８実施の形態）
図１１は、この発明の第８実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。図１１に示すように、回転子５５は、コイル４３を設けず、磁石異極間のフラックスバリアを、磁気異方性回転部材５６により形成している。その他の構成及び作用は、第５実施の形態の回転子４１（図８参照）と同様である。
【００４６】
回転子５５の低回転時、磁気異方性回転部材５６がフラックスバリアとなるように位相制御され（（ａ）参照）、回転子５５の高回転時、磁気異方性回転部材５６が回転子５５内で短絡磁路を形成するように位相制御される（（ｂ）参照）。これにより、磁石１３の磁束が回転子５５内で短絡することになり、誘起電圧が低減され、速度領域の広域化に繋がる。
【００４７】
（第９実施の形態）
図１２は、この発明の第９実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。図１２に示すように、回転子６０は、磁石１３を超えて回転子面中心側に延長された、磁石異極間のフラックスバリア４２に、コイル４３に代えて、フラックスバリア４２に沿って摺動自在に装着された磁性体６１を有している。磁性体６１は、例えば、コイルスプリング等の付勢部材６２に接続されており、付勢部材６２の付勢力により、常時、フラックスバリア４２の回転子面中心側、即ち、磁石１３上に位置している。その他の構成及び作用は、第５実施の形態の回転子４１（図８参照）と同様である。
【００４８】
回転子６０の低回転時、遠心力が小さいため、磁性体６１は、付勢部材６２の付勢力により回転子面中心側に位置し（（ａ）参照）、回転子６０内の短絡磁路を形成することはない。しかしながら、回転子６０の高回転時、遠心力が大きくなると、磁性体６１は、付勢部材６２の付勢力に抗してフラックスバリア４２上に位置し（（ｂ）参照）、回転子６０内の短絡磁路を形成する。これにより、誘起電圧が低減され、速度領域の広域化に繋がる。
【００４９】
（第１０実施の形態）
図１３は、この発明の第１０実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の斜視説明図、（ｂ）は高回転時の斜視説明図である。図１３に示すように、回転子６５は、コイル４３を設けず、磁石異極間のフラックスバリアを、回転子６５内に縦軸に沿って設けたギャップ６６と、ギャップ６６内に納められた磁性流体６７及び非磁性流体６８と、磁性流体６７及び非磁性流体６８を仕切る仕切り部材６９により形成している。その他の構成及び作用は、第５実施の形態の回転子４１（図８参照）と同様である。
【００５０】
回転子６５が回転すると、磁性流体６７の圧力と非磁性流体６８の圧力差により仕切り部材６９がギャップ６６内を縦軸方向に移動する。このため、回転子６５の低回転時は、非磁性流体側から磁性流体側に圧力をかけることで、ギャップ６６が非磁性流体で満たされ（（ａ）参照）、回転子６５内の短絡磁路を形成しない。一方、高回転時は、磁性流体側から非磁性流体側に圧力をかけることで、ギャップ６６が磁性流体で満たされ（（ｂ）参照）、回転子６５内の短絡磁路を形成することにより、誘起電圧が低減され、速度領域の広域化に繋がる。
【００５１】
（第１１実施の形態）
図１４は、この発明の第１１実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の１８０度モデル断面説明図、（ｂ）は高回転時の１８０度モデル断面説明図である。図１４に示すように、回転子７０は、コイル４３を設けず、磁石１３の異極間を密着させず離間配置した第１回転子７１と、第１回転子７１の内側に回転自在に設置され、第１回転子７１の磁石１３の離間部分に対応するように磁石７２を密着させて配置した第２回転子７３を有し、第１回転子７１の各磁石１３の離間部分中央、及び第１回転子７１の各磁石１３と第２回転子７３の各磁石７２の間にフラックスバリア７４を設けている。その他の構成及び作用は、第５実施の形態の回転子４１（図８参照）と同様である。
【００５２】
つまり、この回転子７０は、磁石トルクを得るための主となる第１回転子７１と、回転子７０内の短絡磁束を発生させるための第２回転子７３で構成し、第１回転子７１と第２回転子７３の位相制御を行う。回転子７０の低回転時、回転子７０内の短絡磁路は形成されない（（ａ）参照）が、高回転時には、第１回転子７１の磁石異極間の短絡磁路が第２回転子７３を通して形成される（（ｂ）参照）ので、誘起電圧が低減され、速度領域の広域化に繋がる。
【００５３】
（第１２実施の形態）
図１５は、この発明の第１２実施の形態に係る電動機の回転子を示し、（ａ）は低回転時の斜視説明図、（ｂ）は高回転時の斜視説明図である。図１５に示すように、回転子７５は、コイル４３を設けず、縦軸方向に二分割した第１回転子７６と第２回転子７７により形成し、第１回転子７６と第２回転子７７の位相制御を行う。その他の構成及び作用は、第５実施の形態の回転子４１（図８参照）と同様である。
【００５４】
回転子７５の低回転時、第１回転子７６と第２回転子７７の磁石１３が同極同士となる（（ａ）参照）ため、回転子７５内の縦軸方向における短絡磁路は形成されない。一方、回転子７５の高回転時には、第１回転子７６と第２回転子７７の磁石１３が異極同士となる（（ｂ）参照）ため、回転子７５内の縦軸方向における短絡磁路が形成され、誘起電圧が低減され、速度領域の広域化に繋がる。
【００５５】
上述したように、この発明に係る電動機は、複数の磁石が配置され、磁石異極間と同士の磁路より磁石同極間同士の磁路の方が磁気抵抗の小さい回転子を有し、前記回転子の回転数に応じて、前記回転子内の短絡磁束量を変化させる磁束短絡機構を有している。また、前記磁束短絡機構は、前記磁石異極間のフラックスバリアにコイルを配置した構成、或いは、前記磁石異極間のフラックスバリアを透磁率の変更が可能な部材により形成した構成、或いは、前記磁石異極間のフラックスバリアを磁石付き回転部材により形成した構成、或いは、前記磁石異極間のフラックスバリアを磁気異方性回転部材により形成した構成、或いは、前記磁石異極間のフラックスバリアに付勢部材に接続された磁性体を装着した構成、或いは、前記磁石異極間のフラックスバリアを前記回転子内のギャップ、前記ギャップ内の磁性流体及び非磁性流体、前記磁性流体及び前記非磁性流体を仕切る仕切り部材により形成した構成、或いは、磁石トルクを得るための主となる第１回転子、及び前記回転子内の短絡磁束を発生させるための第２回転子の複数の回転子を有し、前記第１回転子と前記第２回転子の位相制御を行う構成、或いは、回転子軸方向に分割した複数の回転子を有し、前記複数の回転子の位相制御を行う構成、をそれぞれ有している。
【００５６】
（第１３実施の形態）
図１６は、第５実施の形態及び第６実施の形態における給電機構の一例を示す回転子の１８０度モデル断面説明図である。図１６に示すように、第５実施の形態（図８参照）及び第６実施の形態（図９参照）における給電のための機構として、回転子（一例として、第６実施の形態（図９参照）の回転子４５の場合を示す）内の磁石同極間の磁路にコイル８０を設ける。回転子４５内のコイル８０は、基本波成分では誘起電圧は発生しないが、一次より次数の多い成分を印加することで、誘起電圧が発生する。実際に電動機を動作させる場合、高調波成分が存在するため、敢えて高調波を印加しなくても誘起電圧が発生し、ダイオードブリッジ（図示しない）を通すことで給電が可能になる。
【００５７】
これにより、回転子（４１，４５）の高回転時は、誘起電圧が大きくなり、第５実施の形態（図８参照）においては、コイル８０に流す電流が増すことで磁力が強くなり、第６実施の形態（図９参照）においては、閾値となる電圧を超えることで圧電素子４６ａが動作する。
【００５８】
上述した、第７実施の形態（図１０参照）、第８実施の形態（図１１参照）、第１１実施の形態（図１４参照）、第１２実施の形態（図１５参照）の磁路切り換えは、例えば、エンジンバルブタイミング調整装置に使われている油圧を用いた位相制御機構（第４実施の形態、図６及び図７参照）を用いることで実現することができる。
第７実施の形態（図１０参照）、第８実施の形態（図１１参照）における低回転時と高回転時の切り換えは、位相可動部３２と磁路切り換え部１８（磁気異方性を持つ部材）にそれぞれ歯車３４，３５を取り付け、両歯車３４，３５を噛合させることで行う（図６（ａ）参照）。第１１実施の形態（図１４参照）における低回転時と高回転時の切り換えは、位相可動部３２と磁路を切り換える第２回転子７３を接続することで行う。
【００５９】
図１７は、第１０実施の形態における位相制御機構の一例を示す回転軸に沿う断面図である。図１７に示すように、第１０実施の形態（図１３参照）の磁路切り換え機構を構成する複数のギャップ６６が形成された回転子６５は、電動機のハウジング３０内にシャフト３１により回転自在に装着されており、各ギャップ６６は、各ギャップ６６の両端にそれぞれ連通しシャフト３１の両端をそれぞれ貫通する上下各流路８５ａ，８５ｂに接続されている。この上流路８５ａ内を非磁性流体６８が、下流路８５ｂ内を磁性流体６７が、それぞれ流動する。
【００６０】
図１８は、第１２実施の形態における位相制御機構の一例を示し、（ａ）は回転軸に沿って断面した概略説明図、（ｂ）は油圧機構を説明する平面図である。図１８に示すように、回転子７５を、縦軸方向に二分割した第１回転子７６と第２回転子７７により形成し、第１回転子７６と第２回転子７７の位相制御を行う（第１２実施の形態、図１５参照）場合、回転子７５の内部に、位相稼動部３６を設けて、位相稼動部３６の油室３６ａに作動油３３を入れ、進角油室の作動油３３ａと遅角油室の作動油３３ｂのどちらか一方を供給し他方を排出する。これにより、回転子７５と位相稼動部３６との間に位相差が発生する。このとき、位置センサ等（図示しない）を用いることで、正確な位置制御が可能になる。第１２実施の形態（図１５参照）における低回転時と高回転時の切り換えは、位相可動部３２と磁路を切り換える第２回転子７７を接続することで行う。
【００６１】
このように、この発明によれば、複数の磁石が配置された回転子に設けた磁路切り換え部により、回転子の磁路を切り換えて、順突極構造としての強め界磁制御或いは逆突極構造としての弱め界磁制御が選択されるので、相反する順突極特性と逆突極特性を併せ持つことで強め界磁制御と弱め界磁制御を効率的に行うことができるようになり、高トルクと高回転（高出力）を両立した広範囲な運転が可能となる。
【００６２】
なお、上記実施の形態においては、内側に回転子が存在するラジアルギャップ型電動機について説明したが、これに限るものではなく、外側に回転子が存在するラジアルギャップ型電動機や、アキシャルギャップ型電動機等でも実現することができる。また、上記実施の形態においては、埋め込み磁石型電動機について説明したが、これに限るものではなく、表面磁石型電動機でも実現することができ、更に、ステータの形状や回転子の極数等についても、これに限るものではない。
【符号の説明】
【００６３】
１０，４０ 電動機
１１，２０，２５，４１，４５，５０，５５，６０，６５，７０，７５ 回転子
１２ 固定子
１３，７２ 磁石
１４ コイル
１５ 回転軸
１６ スロット
１７，２２，２７ エアギャップ
１８，２１ 磁路切り換え部
２６，２８ 磁気素子
２６ａ，２８ａ，４６ｂ 磁歪素子
２６ｂ，２８ｂ，４６ａ 圧電素子
３０ ハウジング
３１ シャフト
３２，３６ 位相稼動部
３２ａ，３６ａ 油室
３３ 作動油
３３ａ 進角油室の作動油
３３ｂ 遅角油室の作動油
３４，３５ 歯車
４２，７４ フラックスバリア
４３，８０ コイル
４６ 磁気素子
５１ 磁石付き回転部材
５６ 磁気異方性回転部材
６１ 磁性体
６２ 付勢部材
６６ ギャップ
６７ 磁性流体
６８ 非磁性流体
６９ 仕切り部材
７１，７６ 第１回転子
７３，７７ 第２回転子
８５ａ 上流路
８５ｂ 下流路
【図１】
2010154755.tif 000003
【図２】
2010154755.tif 000004
【図３】
2010154755.tif 000005
【図４】
2010154755.tif 000006
【図５】
2010154755.tif 000007
【図６】
2010154755.tif 000008
【図７】
2010154755.tif 000009
【図８】
2010154755.tif 000010
【図９】
2010154755.tif 000011
【図１０】
2010154755.tif 000012
【図１１】
2010154755.tif 000013
【図１２】
2010154755.tif 000014
【図１３】
2010154755.tif 000015
【図１４】
2010154755.tif 000016
【図１５】
2010154755.tif 000017
【図１６】
2010154755.tif 000018
【図１７】
2010154755.tif 000019
【図１８】
2010154755.tif 000020