(57)【要約】【課題】広い回転数域で使用することができ、しかも、広い回転数域に渡って高効率を示す可変磁束モータを提供すること。【解決手段】可変磁束モータ１０は、２ｎ個（ｎ≧１）の磁極を備えたインナーロータ２０と、アウターステータ４０と、アウターステータ４０をインナーロータ２０の軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段５０とを備えている。インナーロータ２０は、アウターステータ４０の内周面に対向する表面に接合されたリング磁石２６を備え、リング磁石２６は、インナーロータ２０の円周方向に沿って交互にＮ極又はＳ極に着磁されており、リング磁石２６の軸方向の長さは、アウターステータ４０の軸方向の長さの２倍以上である。さらに、リング磁石２６は、０°≦θ≦１°（但し、θはスキュー角）であるｐ個（ｐ≧１）の高磁束領域（Ａp）と、１°＜θ≦１８０°／ｎであるｑ個（ｑ≧１）の中・低磁束領域（Ｂq）とを備えている。【選択図】図３
2018011473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えた可変磁束モータ。
（１）前記可変磁束モータは、
２ｎ個（ｎ≧１）の磁極を備えたインナーロータと、
前記インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されたアウターステータと、
前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段と
を備えている。
（２）前記インナーロータは、前記アウターステータの内周面に対向する表面に接合されたリング磁石を備え、
前記リング磁石は、前記インナーロータの円周方向に沿って交互にＮ極又はＳ極に着磁されており、
前記リング磁石の軸方向の長さは、前記アウターステータの軸方向の長さの２倍以上である。
（３）前記リング磁石は、
０°≦θ≦１°（但し、θはスキュー角）であるｐ個（ｐ≧１）の高磁束領域（Ａp）と、
１°＜θ≦１８０°／ｎであるｑ個（ｑ≧１）の中・低磁束領域（Ｂq）と
を備えている。
但し、「前記スキュー角θ」とは、
（ａ）前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向の任意の位置に固定し、
（ｂ）前記アウターステータの上端を通り、かつ前記インナーロータの軸方向に対して垂直な平面と前記リング磁石の表面に形成された前記磁極間の１つの境界線との交点（Ａ点）、並びに、前記アウターステータの下端を通り、かつ前記インナーロータの軸方向に対して垂直な平面と前記境界線との交点（Ｂ点）を求め、
（ｃ）前記Ａ点及び前記Ｂ点を前記インナーロータの軸方向に対して垂直な断面に投影した場合において、
前記インナーロータの中心（Ｃ点）と投影された前記Ａ点とを結ぶ線（ＡＣ線）と、前記Ｃ点と投影された前記Ｂ点とを結ぶ線（ＢＣ線）とのなす角をいう。
【請求項２】
前記リング磁石は、前記インナーロータの一端から他端に向かって、
（ａ）前記θが単調増加している単調増加領域、及び／又は、
（ｂ）前記θが単調減少している単調減少領域
を備えている請求項１に記載の可変磁束モータ。
【請求項３】
前記リング磁石は、
０°≦θ≦１°である第１高磁束領域（Ａ1）と、
１°＜θ＜１２０°／ｎである第１中・低磁束領域（Ｂ1）と、
１２０°／ｎ≦θ≦１８０°／ｎである第２中・低磁束領域（Ｂ2）と、
を備えている請求項１又は２に記載の可変磁束モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変磁束モータに関し、さらに詳しくは、ステータ／ロータ間に流れる磁束の大きさを可変制御することによって、モータの回転に伴って発生する誘起電圧（逆起電力）の大きさを可変制御することが可能な可変磁束モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータには、
（ａ）ロータに電気伝導体を用いるインダクションモータ（ＩＭ）、
（ｂ）ロータの表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石型（Surface Permanent Magnet; ＳＰＭ）モータ、
（ｃ）ロータの内部に永久磁石が埋め込まれた磁石埋込型（Interior Permanent Magnet; ＩＰＭ）モータ
などの様々な構造を持つものが知られている。
【０００３】
このようなモータを、例えば電気自動車の駆動源として用いるためには、車両発進時（低速回転時）から高速走行時（高速回転時）までの広い速度範囲（回転数範囲）で所定のトルクが得られることが要求される。しかしながら、いずれの構造を備えたモータであっても、ロータの回転数の増加と共に誘起電圧（逆起電力）が増大する。そのため、ある回転数においてモータの電源電圧と誘起電圧が等しくなり、それ以上回転数を上げることができなくなる。この問題を解決するために、従来から、界磁コイルを通過する磁石磁束を低減させる大きさの電流を界磁コイルへ流し、界磁コイルを通過する磁束を低減することによって、逆起電力を小さくする方法（弱め界磁制御）が用いられている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、
内部に磁石が埋め込まれたロータと、
回転時にロータシャフトに＋ｚ軸方向の軸方向力が発生するように、スロットにスキューを設けたステータと、
ロータシャフトを−ｚ軸方向に付勢するバネ機構と、
モータの回転数に応じて軸方向のロータシャフト保持位置を変えるガバナ機構と
を備えたラジアルモータが開示されている。
【０００５】
同文献には、
（ａ）低速回転時には、ロータシャフトの軸方向力（＋ｚ方向）がバネ機構のセット荷重（−ｚ方向）より大きくなるため、ロータシャフトが＋ｚ方向に変位し、ロータシャフトの圧力板がバネホルダに接触したところで変位が停止する点、
（ｂ）高速回転時には、ロータシャフトの軸方向力がバネ機構のセット荷重より小さくなり、かつ遠心力の増大によってガバナ機構が開くために、ロータシャフトが−ｚ方向に変位する点、及び、
（ｃ）高速回転時にロータシャフトが−ｚ方向に変位することによって、ギャップ磁束が減少し、弱め界磁を実現できる点
が記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、弱め界磁制御を目的とするものではないが、
（ａ）円筒形を有する磁石面の外周面の円周方向に沿って、交互にＮ極とＳ極に着磁し、
（ｂ）磁石本体の下側の端面寄りの部分に急峻な傾斜（スキュー）を付し、
（ｃ）磁石本体の上側の端面寄りの部分及び中央の部分では穏やかな傾斜を設けた
リング型永久磁石が開示されている。
同文献には、ステータ及びロータの双方に傾斜の異なる領域を設けることによって、コギングトルクを低減することができる点が記載されている。
【０００７】
さらに、特許文献３には、弱め界磁制御を目的とするものではないが、
（ａ）高保磁力部のスキュー角度を最適スキュー角度理論値もしくはそれ以上とし、
（ｂ）低保磁力部のスキュー角度を最適スキュー角度理論値よりも小さいスキュー角度で
スキュー着磁をする円筒又はリング磁石の着磁方法が開示されている。
同文献には、
（Ａ）円筒又はリング磁石は、軸方向の磁石特性が一様ではないため、一様にスキュー着磁してしまうと、コギングトルクを十分に低減できない点、及び、
（Ｂ）一様でない磁石特性に合わせて、スキュー角度を理論値に対して増減させると、コギングトルクを十分に低減できる点
が記載されている。
【０００８】
上述したように、弱め界磁制御を用いると、広い回転数範囲でモータを使用することが可能となる。しかしながら、従来のモータは、いずれも最高効率が得られる回転数とトルクの組み合わせが１点のみであり、最適な組み合わせ以外の領域では効率が低下する。そのため、従来のモータでは、広い回転数域での使用と高効率とを両立させるのは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２６８５７１号公報
【特許文献２】特開２００３−１６９４５２号公報
【特許文献３】特開２００５−０３３８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、広い回転数域で使用することができ、しかも、広い回転数域に渡って高効率を示す可変磁束モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る可変磁束モータは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記可変磁束モータは、
２ｎ個（ｎ≧１）の磁極を備えたインナーロータと、
前記インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されたアウターステータと、
前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段と
を備えている。
（２）前記インナーロータは、前記アウターステータの内周面に対向する表面に接合されたリング磁石を備え、
前記リング磁石は、前記インナーロータの円周方向に沿って交互にＮ極又はＳ極に着磁されており、
前記リング磁石の軸方向の長さは、前記アウターステータの軸方向の長さの２倍以上である。
（３）前記リング磁石は、
０°≦θ≦１°（但し、θはスキュー角）であるｐ個（ｐ≧１）の高磁束領域（Ａp）と、
１°＜θ≦１８０°／ｎであるｑ個（ｑ≧１）の中・低磁束領域（Ｂq）と
を備えている。
但し、「前記スキュー角θ」とは、
（ａ）前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向の任意の位置に固定し、
（ｂ）前記アウターステータの上端を通り、かつ前記インナーロータの軸方向に対して垂直な平面と前記リング磁石の表面に形成された前記磁極間の１つの境界線との交点（Ａ点）、並びに、前記アウターステータの下端を通り、かつ前記インナーロータの軸方向に対して垂直な平面と前記境界線との交点（Ｂ点）を求め、
（ｃ）前記Ａ点及び前記Ｂ点を前記インナーロータの軸方向に対して垂直な断面に投影した場合において、
前記インナーロータの中心（Ｃ点）と投影された前記Ａ点とを結ぶ線（ＡＣ線）と、前記Ｃ点と投影された前記Ｂ点とを結ぶ線（ＢＣ線）とのなす角をいう。
【発明の効果】
【００１２】
インナーロータ表面のリング磁石の軸方向長さをアウターステータの軸方向長さより長くし、かつ、リング磁石にスキュー角θの異なる複数の領域（高磁束領域、中・低磁束領域）を形成すると、アウターステータの位置を制御することによってモータの機器定数（すなわち、ギャップ磁束の大きさ）を可変制御することができる。
例えば、インナーロータの表面に、
（ａ）低速域で最高効率が得られる領域（第１高磁束領域（Ａ1））、
（ｂ）中速域で最高効率が得られる領域（第１中・低磁束領域（Ｂ1））、及び
（ｃ）高速域で最高効率が得られる領域（第２中・低磁束領域（Ｂ2））
を設けた場合において、モータの回転数に応じてアウターステータの位置を制御すると、広い回転数域で使用することができ、かつ、広い回転数域に渡って高効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】スキュー角θの定義を説明するための模式図である。
【図２】着磁方法の異なる種々のリング磁石の模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る可変磁束モータの断面模式図である。
【図４】可変磁束モータの制御方法を説明するためのブロック図である。
【００１４】
【図５】従来のＩＰＭモータの回転数（ＲＰＭ）とトルク（Ｎｍ）との関係を示す図である（出展：  Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive syste. Thecnical report, Oak Ridge National Laboratory (2011)）。
【図６】ＩＰＭモータの回転数と電圧の関係を示す模式図である。
【図７】ＳＰＭモータ、ＩＰＭモータ、及び可変磁束モータのモータ回転数とモータトルクとの関係を示す図である。
【図８】ＩＭモータ、ＳＰＭモータ、ＩＰＭモータ、及び可変磁束モータの回転数と効率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  可変磁束モータ］
本発明に係る可変磁束モータは、以下の構成を備えている。
（１）前記可変磁束モータは、
２ｎ個（ｎ≧１）の磁極を備えたインナーロータと、
前記インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されたアウターステータと、
前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段と
を備えている。
（２）前記インナーロータは、前記アウターステータの内周面に対向する表面に接合されたリング磁石を備え、
前記リング磁石は、前記インナーロータの円周方向に沿って交互にＮ極又はＳ極に着磁されており、
前記リング磁石の軸方向の長さは、前記アウターステータの軸方向の長さの２倍以上である。
（３）前記リング磁石は、
０°≦θ≦１°（但し、θはスキュー角）であるｐ個（ｐ≧１）の高磁束領域（Ａp）と、
１°＜θ≦１８０°／ｎであるｑ個（ｑ≧１）の中・低磁束領域（Ｂq）と
を備えている。
【００１６】
［１．１．  インナーロータ］
［１．１．１．  磁極数］
インナーロータは、２ｎ個（ｎ≧１）の磁極を備えている。磁極の数は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な個数を選択することができる。一般に、磁極の数が多くなるほど、コイルに鎖交する磁束の切替回数が増える。各極における磁石量の減り分を考慮しても、同じ回転数では、磁極の数が多くなるほど、トルク、及び発電量が向上する。このような効果を得るためには、磁極の数は、４極以上が好ましい。磁極の数は、さらに好ましくは、８極以上である。
一方、磁極の数が多くなりすぎると、ステータ形状と巻線が複雑になり、モータ体格が肥大化するという問題があり、特に小型モータで顕著になる。従って、磁極の数は、１６極以下が好ましい。磁極の数は、さらに好ましくは、１２極以下である。
【００１７】
［１．１．２．  リング磁石］
インナーロータは、アウターステータの内周面に対向する表面に接合されたリング磁石を備えている。また、リング磁石は、インナーロータの円周方向に沿って交互にＮ極又はＳ極に着磁されている。
【００１８】
［Ａ．  リング磁石の長さ］
本発明において、リング磁石の軸方向の長さ（ＨR）は、アウターステータの軸方向の長さ（ＨS）の２倍以上である。この点が、従来とは異なる。一般に、ＨRが長くなるほど、スキュー角θの可変制御が容易となる。ＨRは、好ましくは、ＨSの３倍以上である。
一方、ＨRを必要以上に大きくしても、実益がない。従って、ＨRは、ＨSの２０倍以下が好ましい。ＨRは、さらに好ましくは、ＨSの１０倍以下である。
【００１９】
［Ｂ．  高磁束領域、及び中・低磁束領域］
本発明において、リング磁石は、
（ａ）０°≦θ≦１°（但し、θはスキュー角）であるｐ個（ｐ≧１）の高磁束領域（Ａp）と、
（ｂ）１°＜θ≦１８０°／ｎであるｑ個（ｑ≧１）の中・低磁束領域（Ｂq）と
を備えている。
【００２０】
ここで、本発明において、「スキュー角θ」とは、以下の方法により算出される角度をいう。図１に、スキュー角θの定義を説明するための模式図を示す。
（ａ）アウターステータ４０をインナーロータ２０の軸方向の任意の位置に固定する。
（ｂ）アウターステータ４０の上端を通り、かつインナーロータ２０の軸方向に対して垂直な平面とリング磁石２６の表面に形成された磁極間の１つの境界線２６ａとの交点（Ａ点）、並びに、アウターステータ４０の下端を通り、かつインナーロータ２０の軸方向に対して垂直な平面と境界線２６ａとの交点（Ｂ点）を求める。
（ｃ）Ａ点及びＢ点をインナーロータ２０の軸方向に対して垂直な断面に投影する。
（ｄ）インナーロータ２０の中心（Ｃ点）と投影されたＡ点とを結ぶ線（ＡＣ線）と、Ｃ点と投影されたＢ点とを結ぶ線（ＢＣ線）とのなす角を、スキュー角θと定義する。
【００２１】
高磁束領域（Ａp）は、ギャップ磁束が最大となる領域であり、主として高トルクが要求される低速回転域で用いられる。インナーロータは、１個の高磁束領域（Ａq）を備えているものでも良く、あるいは、２個以上備えているものでも良い。
最大のギャップ磁束を得るためには、スキュー角θは、０°が好ましい。スキュー角θが０°より大きい場合であっても、相対的に大きなギャップ磁束が得られる。しかしながら、スキュー角θが過度に大きくなると、低速回転域において高トルクが得られない。従って、高磁束領域（Ａp）のスキュー角θは、１°以下が好ましい。スキュー角θは、さらに好ましくは、０．５°以下である。
【００２２】
中・低磁束領域（Ｂq）は、ギャップ磁束が中〜低となる領域であり、主として中〜高速回転域で用いられる。インナーロータは、１個の中・低磁束領域（Ｂq）を備えているものでも良く、あるいは、２個以上備えているものでも良い。
誘起電圧（逆起電力）を小さくするためには、中・低磁束領域（Ｂq）のスキュー角θは大きいほど良い。具体的には、中・低磁束領域（Ｂq）のスキュー角θは、１°超が好ましい。スキュー角θは、さらに好ましくは、４５°／ｎ（＝方形波着磁の最大誘起電圧が２５％となる角度）以上である。
一方、スキュー角θが１個の磁極当たりの角度（＝３６０°／２ｎ）を超えると、ギャップ磁束がかえって増大する。従って、中・低磁束領域（Ｂq）のスキュー角θは、１８０°／ｎ以下が好ましい。
【００２３】
インナーロータの軸方向における高磁束領域（Ａp）及び中・低磁束領域（Ｂq）の配列順序は、特に限定されない。磁束の可変制御を円滑に行うためには、リング磁石は、インナーロータの一端から他端に向かって、
（ａ）前記θが単調増加している単調増加領域、及び／又は、
（ｂ）前記θが単調減少している単調減少領域
を備えているのが好ましい。
【００２４】
高磁束領域（Ａp）及び中・低磁束領域（Ｂq）の個数、並びに、中・低磁束領域（Ｂq）のスキュー角θは、磁極の数及びモータの用途に応じて、最適な値を選択するのが好ましい。広い回転数域に渡って高効率を得るためには、リング磁石は、
０°≦θ≦１°である第１高磁束領域（Ａ1）と、
１°＜θ＜１２０°／ｎである第１中・低磁束領域（Ｂ1）と、
１２０°／ｎ≦θ≦１８０°／ｎである第２中・低磁束領域（Ｂ2）と、
を備えているのが好ましい。
第１中・低磁束領域（Ｂ1）のスキュー角θは、さらに好ましくは、６０°／ｎ≦θ＜１２０°／ｎである。
【００２５】
ここで、「６０°／ｎ（＝３６０°／（３×２ｎ））」は、同一回転数で比較したときに、Ａ1領域で発生する誘起電圧の約２／３の誘起電圧となるスキュー角を表す。
また、「１２０°／ｎ（＝２×３６０°／（３×２ｎ））」は、同一回転数で比較したときに、Ａ1領域で発生する誘起電圧の約１／３の誘起電圧となるスキュー角を表す。
【００２６】
例えば、磁極の数が８個（ｎ＝４）である場合、前記リング磁石は、
０°≦θ≦１°である第１高磁束領域（Ａ1）と、
１５°≦θ＜３０°である第１中・低磁束領域（Ｂ1）と、
３０°≦θ≦４５°である第２中・低磁束領域（Ｂ2）と、
を備えているものが好ましい。
【００２７】
図２に、着磁方法の異なる種々のリング磁石の模式図を示す。
図２（ａ）は、スキュー角θがリング磁石２６の上端から下端に向かって単調増加している例であり、磁極間の境界線２６ａは、曲線状に変化している。リング磁石２６の上端の領域は、スキュー角θが最小となる高磁束領域（Ａp）である。リング磁石２６の下端の領域は、スキュー角θが最大となる中・低磁束領域（Ｂq）である。さらに、リング磁石２６の中央の領域は、スキュー角θがＡpとＢqの中間の値となる中・低磁束領域（Ｂq'）である。
【００２８】
図２（ｂ）は、スキュー角θがリング磁石２６の上端から中央に向かって単調増加し、かつ、中央から下端に向かって単調減少している例であり、磁極間の境界線２６ａは、曲線状に変化している。リング磁石２６の上端及び下端の領域は、それぞれ、スキュー角θが最小となる高磁束領域（Ａp）である。リング磁石２６の中央から上の領域及び中央から下の領域は、スキュー角θがＡpより大きい中・低磁束領域（Ｂq）である。さらに、リング磁石２６のほぼ中央の領域は、スキュー角θが最小となる高磁束領域（Ａp'）である。
【００２９】
図２（ｃ）は、スキュー角θがリング磁石２６の上端から中央に向かって単調減少し、かつ、中央から下端に向かって単調増加している例であり、磁極間の境界線２６ａは、曲線状に変化している。リング磁石２６の中央の領域は、スキュー角θが最小となる高磁束領域（Ａp）である。リング磁石２６の上端及び下端の領域は、スキュー角θがＡpより大きい中・低磁束領域（Ｂq）である。
【００３０】
図２（ｄ）は、スキュー角θがリング磁石２６の上端から下端に向かって単調増加している例であり、磁極間の境界線２６ａは、階段状に変化している。リング磁石２６の上端から中央までの領域は、スキュー角θが最小となる高磁束領域（Ａp）である。リング磁石２６の中央から下端までの領域は、スキュー角θがＡpより大きい中・低磁束領域（Ｂq）である。
【００３１】
［１．２．  アウターステータ］
アウターステータは、中央にインナーロータを挿入するための貫通穴を備えており、貫通穴の内表面には、界磁コイルの鉄芯となるティースが放射状に配置されている。また、アウターステータは、インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されている。本発明において、アウターステータの構造（例えば、ティースの構造、コイルの巻き線方式など）は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。
【００３２】
［１．３．  相対移動手段］
本発明に係る可変磁束モータは、アウターステータをインナーロータの軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段を備えている。相対移動手段の構造は、アウターステータを相対移動させることが可能な限りにおいて、特に限定されない。相対移動手段は、インナーロータの軸方向の移動を制限し、アウターロータをインナーロータの軸方向に沿って移動可能なものでも良い。あるいは、相対移動手段は、アウターロータの軸方向の移動を制限し、インナーロータを軸方向に移動させるものでも良い。インナーロータと負荷との接続を容易にするには、相対移動手段は、アウターステータをインナーロータの軸方向に沿って移動させるものが好ましい。
【００３３】
［２．  可変磁束モータの具体例］
［２．１．  構成］
図３に、本発明の一実施の形態に係る可変磁束モータの断面模式図を示す。図３において、可変磁束モータ１０は、インナーロータ２０と、アウターステータ４０と、相対移動手段５０とを備えている。インナーロータ２０及びアウターステータ４０は、可変磁束モータ１０の主電動機を構成する。
【００３４】
インナーロータ２０は、シャフト（主電動機の出力回転軸）２２と、シャフト２２の外周に接合されたロータヨーク２４と、ロータヨーク２４の表面に接合されたリング磁石２６とを備えている。リング磁石２６は、インナーロータ２０の円周方向に沿って交互にＮ極又はＳ極に着磁されており、合計２ｎ個（ｎ≧１）の磁極を備えている。また、リング磁石２６の軸方向長さは、アウターステータ４０の軸方向長さの２倍以上になっている。さらに、リング磁石２６は、スキュー角θの異なる少なくとも１つの高磁束領域（Ａp）と、少なくとも１つの中・低磁束領域（Ｂq）を備えている。
【００３５】
ロータヨーク２４の左側には、軸受２８を備えたブラケット３０が配置され、軸受２８にはシャフト２２の左端が挿入されている。また、ロータヨーク２４の右側には、軸受３２を備えたブラケット３４が配置され、軸受３２にはシャフト２２の右側部分が挿入されている。さらに、シャフト２２の右端は、負荷（図示せず）に接続されている。
左右のブラケット３０、３４は、リニア移動ガイド３６、３８で連結されている。リニア移動ガイド３６、３８は、アウターステータ４０を軸方向に移動させる相対移動手段５０の一部を構成する。
【００３６】
アウターステータ４０は、電磁鋼板を積層したものからなる。アウターステータ４０の内周面には、ティース（図示せず）が放射状に配置されており、ティースの周囲にはコイル（図示せず）が巻き付けられている。アウターステータ４０には、リニア移動ガイド３６、３８を挿入するための貫通穴が設けられている。アウターステータ４０は、リニア移動ガイド３６、３８に沿って左右方向に移動可能になっている。さらに、アウターステータ４０の外周面には、雄ねじが形成されている。
【００３７】
相対移動手段５０は、補助電動機５２と、回転ブラケット５４とを備えている。補助電動機５２は、回転ブラケット５４を正回転及び逆回転させるためのものである。回転ブラケット５４は、円筒状になっており、底面が補助電動機５２の回転軸に接続されている。また、回転ブラケット５４の先端の内周面には、アウターステータ４０の雄ねじ部と螺合する雌ねじ部が形成されている。
【００３８】
このような可変磁束モータ１０において、補助電動機５２を正回転又は逆回転させると、回転ブラケット５４が回転し、雌ねじ部を介して回転力がアウターステータ４０の外周面に伝達される。アウターステータ４０は、回転ブラケット５４の回転に伴って回転しようとするが、リニア移動ガイド３６、３８により回転が制限されている。そのため、アウターステータ４０は、回転することなく、リニア移動ガイド３６、３８に沿って軸方向の任意の位置まで水平移動する。
【００３９】
［２．２．  制御］
図４に、可変磁束モータの制御方法を説明するためのブロック図を示す。まず、図示しない各種センサーを用いて、主電動機の現在の情報（例えば、主電動機の回転情報、主電動機の出力トルク情報、主電動機の固定子（アウターステータ４０）の位置情報など）を取得し、コントローラに入力する。また、別のセンサー（図示せず）を用いて、主電動機の出力先操作情報（例えば、電気自動車の場合は、アクセルやブレーキの操作情報）を取得し、コントローラに入力する。
【００４０】
コントローラは、取得した主電動機の現在の情報及び主電動機の出力先操作情報に基づいて、コイルに流す電流量、回転磁束の回転速度、最適な機器定数（スキュー角θ）等の制御パラメータを算出する。次いで、算出された制御パラメータを用いて主電動機インバータ及び補助電動機インバータを作動させる。補助電動機インバータに電力が供給されると、補助電動機５２が正回転又は逆回転し、アウターステータ４０がインナーロータ２０の軸方向に沿って移動する。アウターステータ４０が最適位置まで移動したところで、補助電動機５２を停止させる。これと同時に、主電動機インバータに必要な電力が供給されると、主電動機のインナーロータ２０が所定の回転速度で回転する。
【００４１】
［３．  作用］
図５に、従来のＩＰＭモータの回転数（ＲＰＭ）とトルク（Ｎｍ）との関係を示す（出展：  Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive syste. Thecnical report, Oak Ridge National Laboratory (2011)）。ＩＰＭモータは、広い回転数域で使用することができ、かつ、トルクも大きいことで知られている。しかしながら、従来のモータは、いずれも最高効率域が１箇所のみである。そのため、回転数及び／又はトルクが最高効率域を外れると、効率が低下するという問題がある。図５に示す例では、回転数が約５，０００ｒｐｍ、トルクが約６０Ｎｍである領域が最高効率域であり、ほぼ１００％に近い効率が得られる。しかしながら、この領域を外れると、効率は低下する。
【００４２】
図６に、ＩＰＭモータの回転数と電圧の関係を示す。広い回転数域で使用可能なＩＰＭモータは、磁石による界磁磁束により、ロータの回転数の増加と共に誘起電圧（逆起電力）が増大する。そのため、ある回転数においてモータの電源電圧と誘起電圧が等しくなり、それ以上回転数を上げることができなくなる。この問題を解決するために、誘起電圧が電源電圧に近づいたところで弱め界磁制御を開始し、最大回転数を向上させることが行われている。ＩＰＭモータの場合、弱め界磁制御は、一般に、界磁コイルを通過する磁石磁束を低減するように、界磁コイルを励磁し、発生する誘起電圧を低減することにより行われている。しかしながら、弱め界磁制御により誘起電圧を低減すること自体はトルクに寄与しないため、弱め界磁電流は損失となり、高い効率を得ることができない。さらに、ＩＰＭモータは、最高効率域が１箇所のみであり、その領域から離れた回転数では、大きく低下する。
【００４３】
図７に、ＳＰＭモータ、ＩＰＭモータ、及び本発明に係る可変磁束モータのモータ回転数とモータトルクとの関係を示す。ＳＰＭモータは、磁石トルクのみを利用する。また、ＳＰＭモータであっても最高効率域は、１箇所のみである。さらに、ＳＰＭモータは、低速回転域ではＩＰＭモータと同等のトルクが得られる。しかしながら、ＳＰＭモータは磁石トルクのみを利用するため、弱め界磁制御を行ったとしても、回転数は上がるが、トルクは減少する。
【００４４】
一方、ＩＰＭモータは、マグネットトルクとリラクタンストルクの双方を利用している。そのため、弱め界磁制御を行うと、ＳＰＭモータと同様にマグネットトルクは減少するが、リラクタンストルクは逆に増大する。すなわち、ＩＰＭモータは、弱め界磁制御時に減少したマグネットトルクの一部をリラクタンストルクの増大で補填することができる。その結果、ＩＰＭモータは、ＳＰＭモータに比べて高い回転域において使用でき、しかも、ＳＰＭモータよりも大きなトルクが得られる。しかし、従来のＩＰＭモータもまた、最高効率域は１箇所のみであるため、全回転数域において高い効率は得られない。
【００４５】
これに対し、本発明に係る可変磁束モータは、インナーロータ２０の表面にあるリング磁石２６にスキュー角θの異なる複数の領域が形成されており、かつ、アウターステータ４０がインナーロータ２０の軸方向に移動可能になっている。そのため、モータの回転数に応じてモータの機器定数を可変することができる。これは、１個のモータが複数個の最高効率域を持つことに相当する。
【００４６】
例えば、図７に示す可変磁束モータは、低速域と、中・高速域の２水準の機器定数を持つ例である。低速域においては、高トルクに特化した機器定数が選択されている。そのため、３０ｋｍ／ｈ以下の低速域におけるトルクは、従来のＳＰＭモータやＩＰＭモータよりも高くなっている。
一方、中・高速域においては、高回転数に特化した機器定数が選択されている。そのため、３０〜７０ｋｍ／ｈ程度の中速域において、トルクはＳＰＭモータよりも低くなっている。しかしながら、７０ｋｍ／ｈ以上の高速域においては、従来のＩＰＭモータよりも高いトルクが得られている。
【００４７】
図８に、ＩＭモータ、ＳＰＭモータ、ＩＰＭモータ、及び本発明に係る可変磁束モータの回転数と効率との関係を示す。リラクタンストルクのみを用いるＩＭモータの効率は、全回転数域において他のモータよりも劣っている。また、ＳＰＭモータは、マグネットトルクのみを使用しているため、その効率は、全回転数域においてＩＰＭモータより劣っている。
これに対し、本発明に係る可変磁束モータは、複数個の機器定数を持ち、回転数域に応じて最適な機器定数を選択することができる。そのため、機器定数の設定及び選択を最適化すると、その効率は、全回転数域においてＩＰＭモータのそれを超える。
【００４８】
以上のように、本発明に係る可変磁束モータは、インナーロータ表面のリング磁石の軸方向長さがアウターステータの軸方向長さより長く、かつ、リング磁石にスキュー角θの異なる複数の領域（高磁束領域、中・低磁束領域）が形成されているので、アウターステータの位置を制御することによってモータの機器定数（すなわち、ギャップ磁束の大きさ）を可変制御することができる。
例えば、インナーロータの表面に、
（ａ）低速域で最高効率が得られる領域（第１高磁束領域（Ａ1））、
（ｂ）中速域で最高効率が得られる領域（第１中・低磁束領域（Ｂ1））、及び
（ｃ）高速域で最高効率が得られる領域（第２中・低磁束領域（Ｂ2））
を設けた場合において、モータの回転数に応じてアウターステータの位置を制御すると、広い回転数域で使用することができ、かつ、広い回転数域に渡って高効率が得られる。
【実施例】
【００４９】
（実施例１、比較例１）
［１．  試験方法］
リング磁石２６を着磁する際に部位によってスキュー角θを変化させ、リング磁石２６の表面に以下の３つの磁束領域を形成した。これを図３に示す可変磁束モータ１０に組み込んだ。
（ａ）スキュー角θが０°である第１高磁束領域（Ａ1）。
（ｂ）スキュー角θが１５°である第１中・低磁束領域（Ｂ1）。
（ｃ）スキュー角θが３０°である第２中・低磁束領域（Ｂ2）。
【００５０】
この可変磁束モータ１０の最大トルク及び平均効率を評価した。評価手順は、以下の通りである。なお、評価の際には、弱め界磁制御を行わなかった。
（１）対応回転数域を４等分割し、低速側から数えて２、３、４番目に相当する回転数を選択する。例えば、対応回転数域が０〜５０００ｒｐｍである場合、回転数として、１２５０ｒｐｍ、２５００ｒｐｍ、及び３７５０ｒｐｍを選択する。以下、このようにして選択された回転数を「平均対象回転数」という。
（２）平均対象回転数におけるトルクの範囲（０トルクから最大トルクまで）を４等分割し、低トルク側から数えて２、３、４番目に相当するトルクを選択する。例えば、最大トルクが４００Ｎｍである場合（すなわち、平均対象回転数におけるトルクの範囲が０〜４００Ｎｍである場合）、トルクとして、１００Ｎｍ、２００Ｎｍ、及び３００Ｎｍを選択する。以下、このようにして選択したトルクを「平均対象トルク」という。
（３）平均対象回転数と平均対象トルクのマトリックス各９点の動作点における効率をそれぞれ求め、その平均値を「平均効率」とする。
【００５１】
さらに、市販のＩＰＭモータ（最大回転数：１０，０００ｒｐｍ、最大トルク：１００Ｎｍ）を用いて、実施例１と同様の試験を行った（比較例１）。
【００５２】
［２．  結果］
表１に、結果を示す。表１より、以下のことがわかる。
（１）実施例１では、回転数に応じてアウターステータ４０の位置を移動させ、スキュー角θを変化させた。そのため、実施例１は、いずれの回転数域においても、比較例１に比べて、最大トルク及び平均効率が高くなった。
（２）比較例１の回転数は、１０，０００ｒｐｍが上限であった。一方、実施例１の回転数は、１０，０００ｒｐｍを超えた。
【００５３】
【表１】
2018011473.tif 000003
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る可変磁束モータは、電気自動車やハイブリッドカーの駆動用モータとして使用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０  可変磁束モータ
２０  インナーロータ
２６  リング磁石
４０  アウターステータ
５０  相対移動手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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