(57)【要約】【課題】永久磁石式ロータを用いた直流電気モータにおいて、軸上で２分割したロータ間の回転方向位相差を制御して、高回転域でも低電圧源で高出力が得られる高効率モータの駆動システムを提供する。【解決手段】２分割ロータの回転方向位相差設定装置は、各ロータ用にサンギヤ、キャリア、リングギヤを有する遊星歯車を有し、各ロータをケースに直接軸受けして固定子との間の同心精度を向上させるとともに各サンギヤと連結し、キャリア同士を連結するとともに出力軸に連結し、一方の遊星歯車のリングギヤをケースに固定し、他方の遊星歯車のリングギヤを上記位相差調整用モータに駆動連結することによって、減速比を１．３３〜５に設定可能な２分割ロータの位相差設定装置を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石によって複数の磁極が円周上に配置されている第一の永久磁石式ロータ、円周上に該第一の永久磁石式ロータと同数の磁極を持つ第二の永久磁石式ロータ、磁性体に巻かれたコイルに流れる電流により磁界を構成し、上記第一のロータあるいは第二のロータと同数の円周上磁極を持たせた固定子、ケース、第一あるいは第二のロータをケースで支承するための軸受け、出力軸、第一のロータと第二のロータとの回転方向の位相差を設定するための位相差設定装置から成り、該位相差設定装置は、第一の遊星歯車装置、第二の遊星歯車装置、位相差調整用モータとから成り、第一の遊星歯車装置は、少なくともサンギヤ、キャリア、リングギヤの回転３要素から成り、第二の遊星歯車装置は、少なくともサンギヤ、キャリア、リングギヤの回転３要素から成り、第一の遊星歯車装置の速度線図と第二の遊星歯車装置の速度線図とは一致するように設定され、第一のロータと第一の遊星歯車装置のリングギヤとを機械的に連結し、第二のロータと第二の遊星歯車装置のリングギヤとを機械的に連結し、第一の遊星歯車装置のキャリアと第二の遊星歯車装置のキャリアとを機械的に連結するとともに出力軸に連結し、第一の遊星歯車装置のサンギヤを上記ケースに連結して固定し、第二の遊星歯車装置のサンギヤを位相差調整用モータに駆動連結し、第一あるいは第二のロータとが軸受けによって直接ケースで支承することにより、該固定子に対して精度よく同心に回転できることを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。
【請求項２】
請求項１において、第一あるいは第二のロータとが軸受けによってケースで直接支承することによって、第一の遊星歯車装置と第二の遊星歯車装置とが軸方向に近接して設置することができ、全体の構造が簡素化できることを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。
【請求項３】
請求項１、２において、位相差調整用モータから第一のロータと第二のロータとの間の回転方向位相差を調整することはできるが、第一のロータまたは第二のロータから位相差調整用モータを回転させることはできないセルフロック機能を有することを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式モータ＆発電機（以下モータと表現）と遊星歯車を組み合わせた駆動システムであり、低速から高速まで出力エネルギが一定であることが望ましい電気自動車、ハイブリッド自動車、風力発電機などのモータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、電車などに使用するモータでは、回転速度と負荷（トルク）の広範囲にわたって、高効率であること、大きさ、重量、コスト面でも有利で、かつ十分な耐久性を有することが重要である。そのため、ロータに永久磁石を用いる永久磁石式モータが主流となっている。永久磁石式モータや発電機にはロータの外周に永久磁石を貼り付ける表面磁石型と、ロータのコア内に永久磁石を埋め込む永久磁石埋込み型とがあり、永久磁石埋込み型モータが一般的である。
【０００３】
永久磁石式モータの場合、高速で回転すると、固定子に巻かれたコイルには高圧の誘起電圧が発生し、固定子用コイルに供給する電源電圧が低い場合は、電圧飽和によってトルクの発生に寄与する電流が減少し、十分なトルクが発生しなくなるとともに、効率低下を招く。また、発電機として機能させる場合も、高速回転で大きなトルクを吸収することができなくなる。
【０００４】
これらの課題を解決する手段として、固定子のコイルに高電圧を供給する例がある。高電圧にする手法として、電源用バッテリ自体を高電圧にするか、バッテリ電圧は低いままにして、インバータにチョッパ回路などを付加して高電圧を発生させるかのいずれかの対応が採られる。
【０００５】
電源用バッテリ自体を高電圧にするには、バッテリセルの個数を増やして直列に連結するとともに、回路構成を高電圧に耐えられる構造とする必要があり、大きさ、重量、コストの点で不利となる。
【０００６】
また、低電圧のバッテリ電源をインバータで高電圧に変換するには、チョッパ回路で電圧源の電流を急断続させ、それを変圧器で交流高電圧に変換するとともに整流し、直流高電圧を得る。この場合、インバータ自体の大きさ、重量、コストも増大するほか、それぞれの変換装置のエネルギ損失が大きく、システム全体の効率が低下する。
【０００７】
これらの改善策として、モータの固定子形状は従来のままとし、ロータを軸直角方向で分割して、第一のロータ１Aと第二のロータ１Bとに２分割するとともに、両者の回転方向の位相をずらすことにより、永久磁石ロータから固定子コイルに鎖交する有効磁束量を可変にし、高速回転時には誘起電圧を低下させて低電圧を固定子コイルに供給しても、出力トルクを増大させることが可能な可変磁束モータが下記特許文献１に提案されている。
【０００８】
特許文献１の図１０に示す構造例では、同一回転速度で回転し、軸方向に2分割されているロータ相互間に、回転位相差（ずれ）を設けることによって、固定子用コイルに発生する誘起電圧を低下させることができ、その位相差をトルクや回転速度によって決まる最適な量に調整できれば、広範な運転領域で回転速度に反比例するようなトルク特性が得られるとともに、高速回転領域まで高効率とすることができる。
【０００９】
また、特許文献１では、位相差設定のため遊星歯車の差動機能を利用し、同一諸元を持つ２組の遊星歯車の回転要素の中で、通常は常時固定させている回転要素の片方だけを微小角度αだけ回転させることにより、同一速度で回転している２個のロータ間に、αに比例した回転方向位相差を発生させることが可能なメカニズムが示されている。特許文献１の図１０の構造例では、１対の単純遊星歯車のサンギヤを入力軸に、キャリアを出力軸に連結し、リングギヤを固定することにより、入力軸に対して出力軸が減速回転する。
【００１０】
また、特許文献１の図１０の構造例では、以下の特徴がある。
１．サンギヤとリングギヤの歯数比ρによって入力軸と出力軸との間の減速比ｒ（ｒ＝（１＋ρ）／ρ）が決まり、遊星歯車における歯数関係の制約からρ＝０．２５〜０．７５となり、減速比の採れる範囲は、ｒ＝２．３３〜５となる
２．ロータをケースで直接軸受けしておらず、出力軸を介して軸受けしているので、固定子との間の同心精度が悪化し、その分両者のクリアランスを拡大する必要があり、出力トルクが減少するとともに、効率が低下する
３．各ロータに付随している１対の遊星歯車がロータとサンギヤとの間に配置された軸受けによって軸方向に離れて配置されているため、遊星歯車を含む全体の構造が複雑になるとともに、歯車に供給する潤滑油の回路が複雑になる 
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−１９３８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
２分割されたロータ間の回転方向の位相差を最適値に制御可能とすることにより、供給電圧が低くても高速まで高トルクを発生する特性を持たせたモータ駆動装置において、上記特許文献１で示されたメカニズムに比べて、ロータを直接ケースで支承することにより、下記の点で有利な構造を提供する。
１．固定子との間の同心精度を向上させ、クリアランスを最小限とし、発生トルクを極力増大させる
２．２分割ロータの内周側に配置した位相差設定用遊星歯車の相互間距離を短縮し、システムの構造と潤滑油の供給回路を簡素化する 
【課題を解決するための手段】
【００１３】
永久磁石によって複数の磁極が円周上に与えられている第一の永久磁石式ロータ、円周上に該第一の永久磁石式ロータと同数の磁極を持つ第二の永久磁石式ロータ、磁性体に巻かれたコイルに流れる電流により磁界を構成し、上記第一のロータあるいは第二のロータと同数の円周上磁極を持たせた固定子、ケース、出力軸、第一のロータと第二のロータとの回転方向の位相差を設定するための位相差設定装置から成り、該位相差設定装置は、第一の遊星歯車装置、第二の遊星歯車装置、位相差調整用モータとから成り、第一の永久磁石式ロータと第二の永久磁石式ロータとは該固定子と同心で回転するよう上記ケースで回転可能に軸受けされ、第一の遊星歯車装置は、少なくともサンギヤ、キャリア、リングギヤの回転３要素から成り、第二の遊星歯車装置は、少なくともサンギヤ、キャリア、リングギヤの回転３要素から成り、第一の遊星歯車装置の速度線図と第二の遊星歯車装置の速度線図とは一致するように設定され、第一のロータと第一の遊星歯車装置のサンギヤとを機械的に連結し、第二のロータと第二の遊星歯車装置のサンギヤとを機械的に連結し、第一の遊星歯車装置のキャリアと第二の遊星歯車装置のキャリアとを機械的に連結するとともに出力軸に連結し、第一の遊星歯車装置のリングギヤを上記ケースに連結して固定し、第二の遊星歯車装置のリングギヤを位相差調整用モータに駆動連結することにより、入出力軸間の減速比を1以上の値に設定しながらロータ間の位相差を任意に設定できることを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施例では、永久磁石式ロータを２分割し、ロータがトルクを発生させながら運転している最中でも、両方のロータに回転方向の位相差を任意に与えることが可能で、サンギヤをロータに、キャリアを出力軸に、リングギヤをケースに連結して固定することにより、入出力軸間の減速比が２．３３〜５で、遊星歯車の歯車かみ合いによる負荷依存損失率が１％以下となる永久磁石式２分割ロータシステムである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の永久磁石式モータの２分割ロータ間に、回転方向の位相差を設けた構成を示す模式図である。
【図２】図２は減速比が２．３３〜５となる実施例のスケルトン（サンギヤ：入力、キャリア出力、リングギヤ：固定）を示す。
【図３】図３は本発明の実施例において遊星歯車装置に入ってくるトルクの流れを示す図である。
【図４】図４は本発明の実施例における第一の遊星歯車装置１２Ａの速度線図４０Ａである。
【図５】図５は本発明の実施例における第二の遊星歯車装置１２Ｂの速度線図４０Ｂである。
【図６】図６は本発明の実施例における第一の遊星歯車装置１２Ａの各回転要素への入力トルクの関係を、速度線図上で示す図である。
【図７】図７は本発明の実施例における第二の遊星歯車装置１２Ｂの各回転要素への入力トルクの関係を、速度線図上で示す図である。
【図８】図８は特許文献１の図１０に示されている実施例を示すスケルトンである。
【図９】図９は特許文献１の図１０に示されている実施例の遊星歯車部の速度線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による実施形態について、添付した図面を参照し詳細に説明する。なお、同一または実質的に同一の構成要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。
【００１７】
図１に示すように、この永久磁石式モータは、バッテリなどの電源７とインバータ６で駆動され。電流を流すと円周上に複数の磁極を発生させる固定子３と、第一の永久磁石式ロータ１Ａ、第二の永久磁石式ロータ１Ｂ（以下「永久磁石式」を省略）とから成る。それぞれのロータ１Ａ、１Ｂは固定子３の内周側に配置され、一軸線上にあって、円周上に固定子３と同数の磁極を持つ永久磁石が埋め込まれている。ロータの外周に永久磁石を貼り付ける方法でも本発明と同じ効果が得られる。
それら２個のロータの回転速度は同じであるが、ロータ間では、図１のように、永久磁石の磁極の位相を互いに円周方向にずらすことが可能な構造となっている。
【実施例】
【００１８】
請求項１の発明を、下記の実施例の構造例で示す。特許文献１の図１０と基本構造は同じである。
【００１９】
図２に、実施例１のスケルトンを示す。位相差設定装置１１は、第一の遊星歯車１２Ａ、第二の遊星歯車１２Ｂ、位相差設定用モータ１３から成る。第一の遊星歯車は、サンギヤ３１Ａ、キャリア３４Ａ、リングギヤ３３Ａから成る。第二の遊星歯車は、サンギヤ３１Ｂ、キャリア３４Ｂ、リングギヤ３３Ｂから成る。リングギヤの歯数に対するサンギヤの歯数の比ρは、第一の遊星歯車１２Ａ、第二の遊星歯車遊星歯車１２Ｂとも同一である。一方の入力となるロータ１Ａは遊星歯車１２Ａのサンギヤ３１Ａに連結、他方の入力となるロータ１Ｂは遊星歯車１２Ｂのサンギヤ３１Ｂに連結、キャリア３４Ａ、３４Ｂは互いに機械的に連結されて一体で回転し、出力軸４に連結している。いずれか一方のリングギヤ（例えば３３Ａ）はケース２０に固定され、他方のリングギヤ（例えば３３Ｂ）は、位相差調整モータ１３などの調整装置によってその回転角度が調整可能となっていて、モータの回転が停止している場合、リングギヤ３３Ｂは固定される。なお、位相差調整モータ１３としては、電気モータや油圧ピストンなどが考えられる。また、位相差調整用駆動システムとしては、位相差調整モータ１３側からは駆動できても、遊星歯車側からの駆動にはセルフロックするシステム（ウォームギヤ式など）が望ましい。そうすれば、位相差を設定変更する際にはモータ１３からの駆動エネルギが必要となるが、位相差を維持するだけなら、エネルギは不要となる。
【００２０】
実施例１に示すように、ロータ１Ａ、１Ｂは軸受け５によってケース２０で直接支承されている。これによって、ケース２０と一体である固定子３との同心精度がアップするので、固定子３との間隙（クリアランス）を最小限とすることができ、モータとしてはトルクが増大するとともに、発電機としては電流値が増大する。いずれにしても、モータ効率、発電効率が増大する。また、ロータ１Ａ、１Ｂと出力軸との間に軸受けを持たないので、遊星歯車１２Ａと１２Ｂとの軸方向距離が短縮できるため、モータ構造全体が簡素化される。
【００２１】
図３に、両遊星歯車のトルクの流れを示す。ロータ１Ａからのトルクは、サンギヤ３１Ａに入力され、反力を受け持つリングギヤ３３Ａからのトルクと合算されて、キャリア３４Ａに入力される。同様に、ロータ１Ｂからのトルクは、サンギヤ３１Ｂに入力され、反力を受け持つリングギヤ３３Ｂからのトルクと合算されて、キャリア３４Ｂに入力される。キャリア３４Ａと３４Ｂのトルクが合算されて出力軸４に出力される。出力軸側から駆動し、モータを発電機として使用する場合は、同様の大きさのトルクの流れとなるが、流れの方向は全て逆となる。
【００２２】
図４には第一の遊星歯車１２Ａの速度線図４０Ａを示す。サンギヤ３１Ａ（入力）の回転速度を１、リングギヤ３３Ａの回転速度を０とすると、キャリア３４Ａ（出力）の回転速度は、ρ／（１＋ρ）となる。従って、減速比は（１＋ρ）／ρとなる。ρは各歯車の歯数の制約から０．２５〜０．７５の範囲となるので、減速比の設定可能範囲は２．３３〜５となる。
【００２３】
図５は第二の遊星歯車１２Ｂの速度線図４０Ｂである。歯数比ρが第一の遊星歯車１２Ａと同じなので、速度線図も同一となる。サンギヤ３１Ｂ（入力）の回転速度を１、リングギヤ３３Ｂの回転速度を０とすると、キャリア３４Ｂ（出力）の回転速度はρ／（１＋ρ）、減速比ｒ＝（１＋ρ）／ρとなり、第一遊星歯車１２Ａと完全に一致する。また、位相差調整モータ１３によりリングギヤ３３Ｂを角度αだけ回転させると、キャリア３４Ｂと３４Ａとが機械的に連結されているので、サンギヤ３１Ｂは、３１Ａに対してマイナス方向に角度α／ρだけ位相がずれる。
【００２４】
図６には第一の遊星歯車１２Ａの速度線図４０Ａにおける各回転要素へ入力するトルクの釣り合い関係を示す。サンギヤ３１Ａのトルクを１とし、歯車かみ合部の損失を無視すると、リングギヤ３３Ａで受ける反力トルクは１／ρ、キャリア３４Ａに出力されるトルクは（１＋ρ）／ρとなる。
【００２５】
図７には、第二の遊星歯車１２Ｂの速度線図４０Ｂにおける各回転要素へ入力するトルクの釣り合い関係を示す。サンギヤ３１Ｂのトルクを１とすると、同様にリングギヤ３３Ｂで受ける反力トルクは１／ρ、キャリア３４Ｂに出力されるトルクは（１＋ρ）／ρとなり、第一遊星歯車１２Ａと完全に一致する。
【００２６】
図８に、特許文献１の図１０に示されているスケルトンを、図９には該スケルトンに使用されている２組の遊星歯車のうち、ロータ１Ａ用の遊星歯車１２Ａの速度線図４０Ａを示す（遊星歯車１２Ｂの速度線図も同じであり省略）。基本構造は、本発明の実施例と同じなので速度線図も受け持ちトルクも同じである。しかし、本発明の実施例ではロータ１Ａ、１Ｂは、いずれも直接ケース２０に軸受け５によって支承されているのに対し、特許文献１の実施例では。ロータが出力軸４を介してケース２０に支承されていて、二重の軸受けを装着していることになり、固定子３との同心精度が悪化する。その分ロータと固定子との間の半径方向クリアランスを大きくとらなければならず、発生トルクが目減りするという欠点を有する。
【００２７】
更に、特許文献１の明細書の図１０では、軸受の介在により両方の遊星歯車１２Ａ、１２Ｂがロータによって互いに軸方向に分離されて配置されることになるので、歯車の給油回路などが複雑になるという欠点も有する。
（遊星歯車部の総損失率Ｌの計算）
【００２８】
ロータ１Ａの出力は第一の遊星歯車１２Ａを経て、またロータ１Ｂの出力は第二の遊星歯車１２Ｂを経て出力軸４に出力されるので、いずれも歯車かみ合部で歯面の滑りによる負荷依存損失（両ロータとも同じ率で、伝達トルクに比例）が発生する。この損失率は、遊星歯車の構造によるほか、固定メンバや互いの連結メンバをどの回転要素にするかなどで増減する。遊星歯車の各歯車におけるかみ合い部の損失エネルギと入出力軸間の総損失率Ｌとの関係は以下の考え方で計算できる。本発明の実施例における総損失率Ｌは、同じ基本構造を持つ特許文献１の実施例における総損失率Ｌと同じである。
【００２９】
サンギヤとピニオンギヤとの間のかみ合損失エネルギは、サンギヤトルクと、サンギヤとキャリアとの間の相対回転速度と、歯車かみ合損失率の３者の積である。同様に、リングギヤとキャリアとの間のかみ合損失エネルギは、リングギヤトルクと、リングギヤとキャリアとの間の相対回転速度と、歯車かみ合損失率との３者の積となる。従って、単純遊星歯車システム全体の総損失エネルギは、上記の損失の和となり、単純遊星歯車の総損失率Ｌは、ロータからの入力エネルに対する総損失エネルギの割合となる。
【００３０】
上述のように、ロータ１Ａからサンギヤ３１Ａに入力するトルクを1、サンギヤとピニオンギヤとの相対回転速度を１／（１＋ρ）、かみ合損失率を１％（外歯同士のかみ合による損失の代表値）とすると、サンギヤとキャリアとのかみ合によるエネルギ損失は、これらの積となるので、１／（１＋ρ）％となる。また、リングギヤからの入力トルクを１／ρ、リングギヤとキャリアとの相対回転速度をρ／（１＋ρ）、かみ合損失率を０．４３％（内歯と外歯とのかみ合による損失の代表値）より、リングギヤとキャリアとのかみ合によるエネルギ損失は、これらの積となるので、０．４３／（１＋ρ）％となる。従って、両者の和により、遊星歯車１２Ａによる総損失率ＬＡは１．４３／（１＋ρ）％となる。ロータＢから遊星歯車１２Ｂを経て出力軸４に伝達されるエネルギの総損失率ＬＢも同じ値の１．４３／（１＋ρ）％となる。両方の遊星歯車の総損失率は等しいので、２分割ロータ式モータの総損失率Ｌも同じく、１．４３／（１＋ρ）％となる。歯数比ρの設定可能範囲を０．２５〜０．７５とすれば、減速比ｒ＝（１＋ρ）／ρの範囲は２．３３〜５となり、損失率Ｌの範囲は１．１４〜０．８２％となる。ρが０．５の場合、モータの減速比ｒと総損失率は以下の通りとなる。
ｒ＝（１＋ρ）／ρ＝１．５／０．５＝３
Ｌ＝１．４３／（１＋ρ）＝１．４３／１．５＝０．９５３％
本発明の実施例と基本構造が同じ特許文献１の実施例とでは、総減速比の設定範囲、総損失率とも同じである。
【００３１】
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、請求範囲内で種々の改造及び変更が可能であり、本発明はこれら改造及び変更された発明にも及ぶことは勿論である。また、前記の各組み合わせ以外でも、一部だけを採用する組み合わせによるものでもよい。
【００３２】
各図に示す永久磁石式モータと遊星歯車それぞれの構成要素は、跨った組み合わせにしてもよいし、それらの組み合わせを一体化することも可能である。例えば、前記本発明の実施の形態では、遊星歯車が永久磁石式モータの内周側に配置されているが、永久磁石式モータの右側や左側に遊星歯車を配置する構造としても、ロータを軸受けで直接ケースに支承されていれば、固定子との間の同心精度の向上効果は得られる。
【符号の説明】
【００３３】
１Ａ      第一の永久磁石式ロータ
１Ｂ      第二の永久磁石式ロータ
３        固定子
４        出力軸
５        軸受け
６        インバータ
７        電源
１１      位相差設定装置
１２Ａ    第一の遊星歯車
１２Ｂ    第二の遊星歯車
１３      位相差調整モータ
２０      ケース
３１Ａ    第一の遊星歯車のサンギヤ
３１Ｂ    第二の遊星歯車のサンギヤ
３２Ａ    第一の遊星歯車のピニオンギヤ
３２Ｂ    第二の遊星歯車のピニオンギヤ
３３Ａ    第一の遊星歯車のリングギヤ
３３Ｂ    第二の遊星歯車のリングギヤ
３４Ａ    第一の遊星歯車のキャリア
３４Ｂ    第二の遊星歯車のキャリア
４０Ａ    第一の遊星歯車の速度線図
４０Ｂ    第二の遊星歯車の速度線図
【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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【図９】
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