(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線と固定子鉄心を設置した固定子と、界磁用磁石が設置された複数の磁極部が２組に分かれて相対的に回動する回転子と、２組の磁極部を相対的に回動する機構を有する回転電機において、前記機構は、シャフトに対して回動する磁極部を支持する部材とねじ嵌合し、シャフトの外側を軸方向に移動自在な部材と、前記軸方向に移動自在な部材にシャフトの内側から作用して当該部材を軸方向に移動させるための送りねじ機構と、前記送りねじ機構と回転子とともに回転する部材を連結するベアリングと、前記送りねじ機構を回転させる制御モータとを有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記制御モータを回転させることで２組の磁極部を相対的に回動させることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記回転子とともに回転する部材と前記送りねじ機構を連結するベアリングは、アンギュラベアリングであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記回転子とともに回転する部材と前記送りねじ機構を連結するベアリングは２組あり、一方は前記送りねじ機構のめねじに固定され、もう一方は前記送りねじ機構のおねじに固定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転電機。
【請求項５】
シャフトに対して回動する磁極部を支持する部材と、シャフトの外側を軸方向に移動自在な部材は、ねじりスプラインで嵌合することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の回転電機。
【請求項６】
シャフトの外側を軸方向に移動自在な部材が軸方向に移動すると、２組の磁極部の一方がシャフトに対して回動することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の回転電機。
【請求項７】
前記送りねじ機構をシャフトの内側に設置したことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の回転電機。
【請求項８】
前記制御モータの回転速度は減速機で減速されて前記送りねじ機構を回転させることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の回転電機。
【請求項９】
前記減速機は、ウォーム減速機であることを特徴とする請求項８記載の回転電機。
【請求項１０】
制御モータは回転軸を回転電機のシャフトと直角になるように取り付けることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１１】
制御モータは回転軸を回転電機のシャフトと平行に、回転電機の背面に取り付けることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１２】
２組の界磁磁極部は軸方向に３分割され、
３分割された界磁磁極部のうち、中央の界磁磁極部は、回転子の回転方向に回動することにより２組の界磁磁極部の相対角度を小さくすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１３】
２組の磁極の相対角度は、回転速度に対しては高回転ほど、トルク指令に対しては低トルクほど大きくすることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１４】
ベクトル制御と界磁制御を行いながら運転することを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１５】
電流の位相角は、回転速度に対しては高回転ほど、トルク指令に対しては高トルクほど大きくすることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１６】
回転速度とトルク指令より、２組の界磁磁極部の相対角度と電流と位相角の目標値をマップ制御で再現することを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１７】
２組の磁極部を相対的に回動する機構は回転子の内部に設置され、前記制御モータを回転子の外部に設置したことを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機などに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の可変界磁式の回転電機には、埋込磁石構造の回転子の磁極部を軸方向に３分割し、各々を相対回動することで、回転子の界磁の強さを変化させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の図１には、軸方向に３分割され、シャフトに固定された両側の磁極部と、前記磁極部に対し相対回動する中央の磁極部を有し、各々の磁極部には永久磁石が装着された回転電機が示されている。
反負荷側ブラケットの軸受部には、油圧制御部が設けられ、回転する回転子内部に設けられた油圧機構に油圧を供給し、界磁の強さを変化させることができる。
このように、特許文献１の可変界磁式の回転電機は、回転子の界磁の強さを変化させることで、可変速範囲の拡大とより高い効率での運転を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０７４９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、さらに広範囲高効率運転を推進するため、可変界磁式の回転電機の最大効率ベクトル制御を実現するには、特に運転状態での界磁の強さを正確に制御する必要がある。界磁の強さは２組の界磁磁極部の相対角度を油圧で変化させることにより決定されるため、相対角度をフィードバックして油圧制御を行うことが必要になる。
【０００５】
上記回転電機は、回転子の回転位置を検出する手段としてシャフトの端部にエンコーダが取り付けられているものの、２組の界磁磁極部の相対角度を直接検出していない。そのため、油圧制御をもって２組の界磁磁極部の相対角度を、目標値に精密に調整することは困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、フィードバック制御とそのための相対角度検出を不要とし、２組の界磁磁極部の相対角度を直接目標値に正確に調整でき、さらなる広範囲高効率運転が達成できる可変界磁式の回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子巻線と固定子鉄心を設置した固定子と、界磁用磁石が設置された複数の磁極部が２組に分かれて相対的に回動する回転子と、２組の磁極部を相対的に回動する機構を有する回転電機において、前記機構は、シャフトに対して回動する磁極部を支持する部材とねじ嵌合し、シャフトの外側を軸方向に移動自在な部材と、前記軸方向に移動自在な部材にシャフトの内側から作用して当該部材を軸方向に移動させるための送りねじ機構と、軸方向に移動させるための送りねじ機構と、前記送りねじ機構と回転子とともに回転する部材を連結するベアリングと、前記送りねじ機構を回転させる制御モータとを有することを特徴とする回転電機が適用される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、２組の界磁磁極部の相対角度を正確に調整することで、さらなる広範囲高効率運転が達成できる可変界磁式の回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。
【図２】同実施形態に係る中央の界磁磁極部における回転電機の径方向断面図である。
【図３】可変界磁の原理説明図である。
【図４】中央の界磁磁極部を回動させる構造の説明図である。
【図５】回転子の構造を示す軸方向断面図である。
【図６】制御モータの取付けを示す説明図である。
【図７】センサマグネットの説明図である。
【図８】２組の界磁磁極部の相対角度と界磁の強さとの特性図である。
【図９】本実施形態に係る回転電機の最大効率ベクトル制御時の制御数値マップ測定例である。
【図１０】最大効率ベクトル制御を再現するマップ制御の説明図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。
【図１２】同実施形態に係る反負荷側側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
【００１１】
＜第１実施形態＞
まず、図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る回転電機の構成について説明する。図１は、車両駆動用電動機または発電機に供する、本発明の第１実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る可変界磁式の回転電機は、固定子巻線１２と固定子鉄心１３を設置した固定子１０と、界磁用磁石が設置された複数の磁極部が２組に分かれて相対的に回動する回転子３０と、回転子の内部に２組の磁極部を相対的に回動する機構と、フレーム１７の反負荷側の外部に設けられ前記機構を作動する制御モータ４９（図６参照）と、回転子の反負荷側側面に設けられたセンサマグネット２０と、前記センサマグネットに対向して設けられた回転位置検出部２５とを有する。
固定子巻線１２は固定子鉄心１３に装着され、固定子鉄心１３は、負荷側ブラケット１６に、固定子締結ボルト１４をもって締結され、フレーム１７はボルト１１で、負荷側ブラケット１６に締結されている。
回転子３０は、回転子シャフト３４に設置された負荷側軸受１８と反負荷側軸受１９をもって回転自在に保持され、反負荷側ブラケット１７に設置された回転位置検出器２５をもって、回転子の回転位置を検出する。
【００１３】
回転子３０の界磁磁極部は、軸方向に３分割され、シャフトに固定された負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４８に対し、中央の界磁磁極部４７を制御モータで回動させる構造となっている。
制御モータがウォームギヤ２７を回転させると、ギヤホイール２３が回転し、送りおねじ４２が送りめねじ４３に対して軸方向に移動する。送りおねじ４２の負荷側端部には可動軸受け３６が装着され、回転子の回転を遮断しながらピン３６とピンホルダ２８を軸方向に移動させる。ピン３６はシャフトの外側のスライダ３７を軸方向に移動させ、スライダの外側はハブ３２と捩れスプラインで契合しているため、スライダ３７が軸方向に移動すれば、ハブ３２とそれに契合された中央の界磁磁極部４７をシャフトに固定された負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４８に対し回動させる。
【００１４】
負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４８はボルト３５をもってシャフト３４に固定されている。
ハブ３２の両側には、Ｏリング１５が装着され前記機構に充填されたグリスの飛散を防止している。
送りおねじ４２と送りめねじ４３は台形ねじ加工がなされている。ギヤホイール２３は軸受け２６で回転自在に支持されている。送りおねじ４２は、六角穴を有し、ギヤホイール２３の六角シャフトに契合しているため、軸方向に移動可能に回転が伝達される。
送りおねじ４２に装着された可動軸受け４０にはアンギュラベアリングが２個向かい合わせで用いられ、軸受けホルダ４４とボルト４５をもって固定されている。
送りめねじ４３に装着された固定軸受け４１にもアンギュラベアリングが２個向かい合わせで用いられ、ナット２９をもって固定されている。
【００１５】
図２は、本実施形態に係る中央の界磁磁極部における回転電機の径方向断面図である。
図２に示すように、固定子１０は、１２個に分割された固定子鉄心１３の各々に空芯コイルである固定子巻線１２を装着して構成されている。
軸方向に３分割された各々の界磁磁極部は、回転子鉄心３８に設けられた略Ｖ字形状をなす永久磁石装着孔に永久磁石３６が着磁方向を対面、または背面するように装着され、１０極の磁極を構成している。
【００１６】
図３は、可変界磁の原理説明図である。
図３（  a  ）に示す状態は、中央の界磁磁極部４７が右回りしきった状態であり、中央の界磁磁極部４７が、負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４８に磁極を並べ、界磁は最も強い状態となっている。
図３（  b  ）に示す状態は、中央の界磁磁極部４７が左回りしきった状態であり、中央の界磁磁極部４７が、負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４８に対し相対的に大きく回動しているため、磁極同士が相殺して固定子巻線を鎖交する界磁は最も弱い状態となっている。
制御モータを作動させることにより、図３（  a  ）から図３（  b  ）の間を随意に調整することができ、界磁の強さを変化させることができる。
【００１７】
図４は、中央の界磁磁極部を回動させる構造の説明図である。
シャフト３４にはピン３６が貫通する溝部３４b を除き、角形スプライン部３４aが設けられ、スライダ３７と契合している。スライダ３７の外側はハブ３２と捩れスプラインで契合しているため、スライダを軸方向に移動させると、ハブ３２とそれに契合された中央の界磁磁極部４７をシャフトに固定される負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４８に対し回動できる。
スライダ３７はピン３６をもって軸方向に移動させる。シャフト３４にはピン３４が軸方向に移動できる範囲の長穴３４bが設けられている。シャフトの角形スプライン部３４aには、負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４８を固定するためのボルト穴３４cが設けられている。
【００１８】
図５は、回転子の構造を示す軸方向断面図である。
図１に示した、スライダ３７を負荷側に移動させ界磁を弱めた状態に対し、本図はスライダを反負荷側に移動させ界磁を強めた状態を示している。
スライダ３７とハブ３２とが契合する捩れスプラインは、円周方向に対して垂直に近いリード角とすることで、小さな軸方向推力で大きな回動トルクを発生でき、逆に大きな回動トルクや駆動トルクが作用しても軸方向推力には作用しにくい工夫がなされている。
固定軸受け４１をシャフトに固定しているため、制御モータにより発生させる軸方向推力が回転子の負荷側軸受け１８と反負荷側軸受け１９に作用して軸受けの寿命を低下させことはない。また、可動軸受け４０と固定軸受け４１をシャフトの内側に設置したため、本実施例の回転電機の軸方向長を小さく構成できている。
【００１９】
図６は、制御モータの取付けを示す説明図である。
制御モータ４９の回転速度は、ウォームギヤ２７とギヤホイール２３からなるウォーム減速機で減速されて、図５に示した送りおねじ４２を回転させる。制御モータ４９は回転軸を回転電機のシャフトと直角になるように取り付けられているため、本実施例の回転電機の軸方向を小型に構成できている。
【００２０】
図７は、センサマグネットの説明図である。センサマグネット２０は耐熱性の高い樹脂を素材とした永久磁石であり、回転子の界磁磁極と同数の磁極が着磁されている。センサマグネット２０の磁極は、図５に示したように反負荷側プレート３３の側面に、両側の界磁磁極部に合わせて装着されているため、センサマグネット２０の磁極の位置を検出すれば、両側の界磁磁極部の磁極の位置を検出できる。
【００２１】
両側の界磁磁極部は、回転子の回転方向に回動することにより２組の界磁磁極部の相対角度が小さくなるように設置されている。車両駆動用電動機または発電機に供する可変界磁式の回転電機の最大効率ベクトル制御を実現するには、後で示すように、小さなトルク指令状態では相対角度を大きくすることが要求され、大きなトルク指令状態では相対角度を小さくすることが要求される。
例えば、車両駆動用回転電機の回転子が右回りに電動機状態で運転している状態を図３に示したとすれば、無負荷に近い小さなトルク指令状態では、２組の界磁磁極部のＮ極とＳ極が引き合い、制御モータは小さなトルクで図３（  b  ）に示した２組の界磁磁極部の相対角度が大きい状態に近づけることができる。加速を要する大きなトルク指令状態では、固定子が発する回転電磁力に回動可能な中央の界磁磁極部４７が引かれるため、その分制御モータは小さなトルクで図３（  a  ）に示した２組の界磁磁極部の相対角度が小さい状態に近づけることができる。
【００２２】
図８は、２組の界磁磁極部の相対角度と界磁の強さとの特性図である。
２組の界磁磁極部が並んだ、界磁が最も強い状態における誘起電圧定数の大きさを１００％とし、２組の界磁磁極部が相対的に回動した状態での誘起電圧定数の割合を界磁率と呼ぶことにすれば、２組の界磁磁極部の相対角度θに対する界磁率αの特性は、図６に示すようになる。２組の界磁磁極部の相対角度θを０〜１２０°まで変化させることで、界磁率αは１００〜３０％まで変化できることを示している。
【００２３】
図９は、本実施形態に係る回転電機の最大効率ベクトル制御時の制御数値マップ測定例である。
回転速度と出力割合をそれぞれ横軸と縦軸に取り、（  a  ）は、界磁率を示し、（  b  ）は、２組の界磁磁極部が総合して作り出す磁極位置に対する固定子巻線に通電する３相電流の電流の位相角を示している。電流の位相角が大きくなるほど、回転子の磁極に対し固定子が発する回転電磁力が進角するとともに、弱め界磁力が強まる。
図９に示すように、例えば１６０００rev/min，７０％出力時には、界磁率は６９％となるように２組の界磁磁極部の相対角度を調整し、電流の位相角は７８°で通電すれば、本実施例の回転電機の効率は最大となる。
このマップより次のことが明らかである。可変界磁式の回転電機効率を最大とするには、界磁率は回転速度に対しては高回転ほど、出力の大きさに対しては低出力ほど小さくするとともに、電流の位相角は回転速度に対しては高回転ほど、出力の大きさに対しては高出力ほど大きくする制御とすれば良い。
【００２４】
図１０は、最大効率ベクトル制御を再現するマップ制御の説明図である。
車両駆動用可変界磁式の回転電機の実際の制御においては、便宜上出力をトルク指令に置き換えて、マップ制御を行う。アクセルペダルの踏込みの大きさをトルク指令の大きさに対応させて、回転電機の回転速度Ｎとトルク指令Ｔより、界磁率α，電流の位相角βと電流Ｉが読み出され、それを目標値としてフィードバック制御により設定された誤差以内に実現する。
具体的には、回転電機の回転速度がＮｍからＮｍ+1の間にあり、トルク指令がＴｎからＴｎ+1の間にあれば、Ｄｍｎの場所からデータが読み出される。Ｄｍｎは界磁率αｍｎ，電流の位相角βｍｎと電流Ｉｍｎの３つのデータを格納している。回転速度がＮｍ-1からＮｍの間に下がると、Ｄｍ-1ｎの場所からデータが読み出される。制御のためのデータは、回転電機が運転される全ての回転速度とトルク指令に対して準備されている。
【００２５】
＜第２実施形態＞
以上、本発明の第１実施形態に係る回転電機について説明した。次に、図１１を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る回転電機について説明する。図１１は、車両駆動用電動機または発電機に供する、本発明の第２実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。第１実施形態に係る回転電機が軸方向に小型な構成であったのに対し、第２実施形態に係る回転電機は径方向に小型な構成とするに適する。車両駆動用電動機または発電機として、積載形状の要求に対応できるようにするため、軸方向に小型なものと径方向に小型なものを準備した。
【００２６】
図１１に示すように、この第２実施形態に係る回転電機は、２組の磁極部を相対的に回動させるための送りねじ機構をシャフトの外部に設置した点で、第１実施形態に係る可変界磁式の回転電機と異なり、他の構成は同様に構成される。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。
本実施形態の回転電機では、送りおねじ８２と送りめねじ８３からなる送りねじ機構は、シャフトの反負荷側外部に設置されている。また、制御モータは回転軸を回転電機の回転子のシャフトと平行に、出力軸を回転電機の反負荷側に向けて設置されている。制御モータの出力軸にはピニオンギヤ６７が取り付けられ、ギヤホイール６３を減速して駆動する。ギヤホイール６３が回転すると、送りおねじ８２が送りめねじ８３に対して軸方向に移動する。送りおねじ８２の負荷側端部には可動軸受け８０が装着され、回転子の回転を遮断しながらピン７６とピンホルダ６８を軸方向に移動させる。
以下、第１実施形態に係る回転電機と同様に、ピン７６がシャフトの外側のスライダ７７を軸方向に移動させ、ハブ７２とそれに契合された中央の界磁磁極部８７をシャフトに固定された負荷側界磁磁極部８６と反負荷側界磁磁極部８８に対し回動させる。
【００２７】
負荷側界磁磁極部８６と反負荷側界磁磁極部８８はシャフト７４に契合固定されている。
ハブ３２の両側には、Ｏリング１５が装着され前記機構に充填されたグリスの飛散を防止している。送りおねじ８２は、六角穴を有し、ギヤホイール６３の六角シャフトに契合しているため、軸方向に移動可能に回転が伝達される。
送りおねじ８２に装着された可動軸受け８０にはアンギュラベアリングが２個向かい合わせで用いられ、ナット５１をもって固定されている。
送りめねじ８３に装着された固定軸受け８１にもアンギュラベアリングが２個向かい合わせで用いられ、反負荷側ブラケット６６とに挟まれて固定されている。固定軸受け８１は、回転子の反負荷側軸受けを兼ねている。
【００２８】
図１２は、本実施形態に係る反負荷側側面図である。
図１２に示すように、制御モータ８９は回転子軸の上方に取り付けられ、ピニオンギヤ６７を回転させることで、ギヤホイール６３を駆動する。ピニオンギヤ６７とギヤホイール６３からなる減速機はグリスで潤滑され、減速機を保護するためにカバー６４が設置されている。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態に係る可変界磁式の回転電機は、制御モータにより２組の界磁磁極部の相対角度を正確に調整することで、さらなる広範囲高効率運転が達成でき、車両駆動用可変界磁式の回転電機の電気消費率を従来以上に向上することができる。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない
【００３１】
例えば、上記実施形態では、界磁を可変するための制御モータは回転電機の反負荷側に設置されているが、制御モータをシャフトの負荷側に設置し、シャフトの負荷側端部に２組の磁極部を相対的に回動させるための軸方向推力部材を設置する場合もある。
【００３２】
本発明の回転電機は、広範囲高効率運転が可能となるため、車両駆動用に限らず工作機主軸用を初めとする他の一般産業用回転電機用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１０    固定子  １１    ボルト  １２    固定子巻線
１３    固定子鉄心
１４    ボルト
１５    Ｏリング
１６    負荷側ブラケット
１７    フレーム
１８    負荷側軸受
１９    反負荷側軸受
２０    センサマグネット
２１    結線部
２２    軸受けカバー
２３    ギヤホイール
２４    カバー
２５    回転位置検出部
２６    軸受け
２７    ウォームギヤ
２８    ピンホルダ
２９    ナット
３０    回転子
３１    負荷側プレート
３２    ハブ
３３    反負荷側プレート
３４    シャフト
３５    ボルト
３６    ピン
３７    スライダ
３８    回転子鉄心
３９    永久磁石
４０    可動軸受け
４１    固定軸受け
４２    送りおねじ
４３    送りめねじ
４４    軸受けホルダ
４５    ボルト
４６    負荷側界磁磁極部
４７    中央の界磁磁極部
４８    反負荷側界磁磁極部
４９    制御モータ
５０    固定子
５１    ナット
５２    ナット
５５    Ｏリング
５６    負荷側ブラケット
５７    フレーム
５８    負荷側軸受
５９    軸受
６０    センサマグネット
６２    軸受けカバー
６３    ギヤホイール
６４    カバー
６５    回転位置検出部
６６    反負荷側ブラケット
６７    ピニオンギヤ
６８    ピンホルダ
６９    ナット
７０    回転子
７１    負荷側プレート
７２    ハブ
７３    反負荷側プレート
７４    シャフト
７６    ピン
７７    スライダ
８０    可動軸受け
８１    固定軸受け
８２    送りおねじ
８３    送りめねじ
８４    モータホルダ
８５    ボルト
８６    負荷側界磁磁極部
８７    中央の界磁磁極部
８８    反負荷側界磁磁極部
８９    制御モータ
【図１】
0005392323.tif 000002
【図２】
0005392323.tif 000003
【図３】
0005392323.tif 000004
【図４】
0005392323.tif 000005
【図５】
0005392323.tif 000006
【図６】
0005392323.tif 000007
【図７】
0005392323.tif 000008
【図８】
0005392323.tif 000009
【図９】
0005392323.tif 000010
【図１０】
0005392323.tif 000011
【図１１】
0005392323.tif 000012
【図１２】
0005392323.tif 000013