(57)【要約】【課題】永久磁石同期電動機の固定子に作用するスラスト力を低減する。【解決手段】外周面９がコーン形状の回転子５，６と、回転子５，６の外周面９を取り囲み内周面１１が回転子５，６のコーン形状と略相似形の固定子７，８とを有する第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂを備え、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂは同一回転軸４上に配置されるとともに、回転軸４に直交する面に対し対称に配置され、第１の電動機１Ａのコーン形状の傾きと第２の電動機１Ｂのコーン形状の傾きとが、傾斜角度を同一にして傾斜方向を互いに逆向きにされ、固定子７，８はこれら固定子７，８に作用するスラスト力を同時に受ける連結部材１５によって軸方向移動不能に連結され、回転子５，６は回転軸４に対して回転不能で軸方向へ移動可能に取り付けられ、回転子５，６を同時に軸方向へ互いに反対方向に移動せるアクチュエータ４３，４４を備える。【選択図】図１
2008301650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面をコーン形状に形成され永久磁石を有する回転子と、該回転子の外周面を取り囲むように配置され内周面を該回転子のコーン形状と略相似形に形成された固定子とをそれぞれ有する第１の電動機および第２の電動機を備え、
前記第１の電動機と前記第２の電動機は同一回転軸上に配置されるとともに、該回転軸に直交する面に対して対称に配置されており、
前記第１の電動機の回転子および固定子のコーン形状の傾きと前記第２の電動機の回転子および固定子のコーン形状の傾きとが、傾斜角度を同一にして傾斜方向を互いに逆向きにされ、
前記第１の電動機の固定子と前記第２の電動機の固定子は、これら固定子に作用する軸方向のスラスト力を同時に受ける連結部材によって軸方向へ移動不能に連結され、
前記第１の電動機の回転子と前記第２の電動機の回転子は前記回転軸に対して回転不能で軸方向へ移動可能に取り付けられ、
前記第１の電動機の回転子と前記第２の電動機の回転子の両方を同時に軸方向へ互いに反対方向に移動させる回転子作動手段を備えることを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項２】
外周面をコーン形状に形成され永久磁石を有する回転子と、該回転子の外周面を取り囲むように配置され内周面を該回転子のコーン形状と略相似形に形成された固定子とをそれぞれ有する第１の電動機および第２の電動機を備え、
前記第１の電動機と前記第２の電動機は同一回転軸上に配置されるとともに、該回転軸に直交する面に対して対称に配置されており、
前記第１の電動機の回転子および固定子のコーン形状の傾きと前記第２の電動機の回転子および固定子のコーン形状の傾きとが、傾斜角度を同一にして傾斜方向を互いに逆向きにされ、
前記第１の電動機の回転子と前記第２の電動機の回転子は前記回転軸に固定され、
前記第１の電動機の固定子と前記第２の電動機の固定子の両方を同時に軸方向へ互いに反対方向に移動させる固定子作動手段を備えることを特徴とする永久磁石同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石同期電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期電動機には、回転子と固定子の外周面をコーン状に形成し、回転子を軸方向へ移動することにより該回転子と固定子とのエアギャップ（間隔）を変更して磁路のリラクタンスを変更し、界磁を制御可能にしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２１０８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来構造の前記永久磁石同期電動機では、回転軸に対して斜めに磁界が発生するため、回転子あるいは固定子に軸方向の分力が発生し、回転子（回転軸）あるいは固定子に軸方向のストレスがかかる可能性がある。
そこで、この発明は、界磁制御可能で且つ軸方向のストレスを低減可能な永久磁石同期電動機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明に係る永久磁石同期電動機では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、外周面（例えば、後述する実施例における外周面９）をコーン形状に形成され永久磁石（例えば、後述する実施例における永久磁石１０）を有する回転子（例えば、後述する実施例における回転子５，６）と、該回転子の外周面を取り囲むように配置され内周面（例えば、後述する実施例における内周面１１）を該回転子のコーン形状と略相似形に形成された固定子（例えば、後述する実施例における固定子７，８）とをそれぞれ有する第１の電動機（例えば、後述する実施例における第１の電動機１Ａ）および第２の電動機（例えば、後述する実施例における第２の電動機１Ｂ）を備え、前記第１の電動機と前記第２の電動機は同一回転軸（例えば、後述する実施例における回転軸４）上に配置されるとともに、該回転軸に直交する面に対して対称に配置されており、前記第１の電動機の回転子および固定子のコーン形状の傾きと前記第２の電動機の回転子および固定子のコーン形状の傾きとが、傾斜角度を同一にして傾斜方向を互いに逆向きにされ、前記第１の電動機の固定子と前記第２の電動機の固定子は、これら固定子に作用する軸方向のスラスト力を同時に受ける連結部材（例えば、後述する実施例における連結部材１５）によって軸方向へ移動不能に連結され、前記第１の電動機の回転子と前記第２の電動機の回転子は前記回転軸に対して回転不能で軸方向へ移動可能に取り付けられ、前記第１の電動機の回転子と前記第２の電動機の回転子の両方を同時に軸方向へ互いに反対方向に移動させる回転子作動手段（例えば、後述する実施例におけるアクチュエータ４３，４４）を備えることを特徴とする永久磁石同期電動機（例えば、後述する実施例における永久磁石同期電動機１）である。
【０００５】
このように構成することにより、回転子作動手段で第１の電動機の回転子と第２の電動機の回転子を軸方向へ互いに反対方向に移動させることにより、第１の電動機の回転子と固定子との離間寸法および第２の電動機の回転子と固定子との離間寸法を同時に変化させることができ、第１の電動機と第２の電動機のそれぞれの磁路のリラクタンスを同時に変更することができる。
また、第１の電動機と第２の電動機が対称に配置され、且つ、第１の電動機と第２の電動機のコーン形状の傾きが傾斜角度を同一にして傾斜方向を互いに逆向きにされており、且つ、第１の電動機の固定子と第２の電動機の固定子が連結部材によって移動不能に連結されているので、第１の電動機の固定子に作用するスラスト力と第２の電動機の固定子に作用するスラスト力が連結部材において相殺される。
【０００６】
請求項２に係る発明は、外周面（例えば、後述する実施例における外周面９）をコーン形状に形成され永久磁石（例えば、後述する実施例における永久磁石１０）を有する回転子（例えば、後述する実施例における回転子５，６）と、該回転子の外周面を取り囲むように配置され内周面（例えば、後述する実施例における内周面１１）を該回転子のコーン形状と略相似形に形成された固定子（例えば、後述する実施例における固定子７，８）とをそれぞれ有する第１の電動機（例えば、後述する実施例における第１の電動機１Ａ）および第２の電動機（例えば、後述する実施例における第２の電動機１Ｂ）を備え、前記第１の電動機と前記第２の電動機は同一回転軸（例えば、後述する実施例における回転軸４）上に配置されるとともに、該回転軸に直交する面に対して対称に配置されており、前記第１の電動機の回転子および固定子のコーン形状の傾きと前記第２の電動機の回転子および固定子のコーン形状の傾きとが、傾斜角度を同一にして傾斜方向を互いに逆向きにされ、前記第１の電動機の回転子と前記第２の電動機の回転子は前記回転軸に固定され、前記第１の電動機の固定子と前記第２の電動機の固定子の両方を同時に軸方向へ互いに反対方向に移動させる固定子作動手段（例えば、後述する実施例におけるアクチュエータ４５）を備えることを特徴とする永久磁石同期電動機（例えば、後述する実施例における永久磁石同期電動機１）である。
【０００７】
このように構成することにより、固定子作動手段で第１の電動機の固定子と第２の電動機の固定子を軸方向へ互いに反対方向に移動させることにより、第１の電動機の回転子と固定子との離間寸法および第２の電動機の回転子と固定子との離間寸法を同時に変化させることができ、第１の電動機と第２の電動機のそれぞれの磁路のリラクタンスを同時に変更することができる。
また、第１の電動機と第２の電動機が対称に配置され、且つ、第１の電動機と第２の電動機のコーン形状の傾きが傾斜角度を同一にして傾斜方向を互いに逆向きにされており、且つ、第１の電動機の回転子と第２の電動機の回転子が回転軸に固定されているので、第１の電動機の回転子に作用するスラスト力と第２の電動機の回転子に作用するスラスト力が回転軸において相殺される。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係る発明によれば、第１の電動機の固定子に作用するスラスト力と第２の電動機の固定子に作用するスラスト力が連結部材において相殺されるので、各固定子の歪みを低減することができる。
請求項２に係る発明によれば、第１の電動機の回転子に作用するスラスト力と第２の電動機の回転子に作用するスラスト力が回転軸において相殺されるので、回転軸の歪みを低減することができる。その結果、電動機の回転軸に出力伝達用のギヤを設けた場合にギヤの噛み合いが安定し、回転軸を支持する軸受の耐久性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明に係る永久磁石同期電動機の実施例を図１から図６の図面を参照して説明する。
＜実施例１＞
初めに、図１から図３の図面を参照して、この発明に係る永久磁石同期電動機の実施例１を説明する。
図１，図２に示すように、永久磁石同期電動機１は、図示しない同一ケーシング内に軸受２，３によって回転可能に取り付けられた１本の回転軸４と、この回転軸４に軸方向に並んで取り付けられた２つの回転子５，６と、各回転子５，６の外側に配置された固定子７，８とを備えており、回転軸４と回転子５と固定子７により第１の電動機１Ａが構成され、回転軸４と回転子６と固定子８により第２の電動機１Ｂが構成されている。換言すると、第１の電動機１Ａと第２の電動機１Ｂは同一の出力軸である回転軸４上に配置されるとともに、回転軸４に直交する面に対して対称に配置されている。
【００１０】
回転子５，６は、例えば回転軸４と回転子５，６との間に設けられたスプライン機構（図示略）によって、回転軸４の周方向へ回転不能、且つ回転軸４の軸方向へ移動可能に、回転軸４に取り付けられている。なお、以下の説明において「軸方向」は回転軸４の軸方向を言うものとする。
回転子５，６は外周面９がコーン形状に形成され、回転子５のコーン形状の傾き（回転軸４の軸線に対する回転子５の外周面９の傾き）と回転子６のコーン形状の傾き（回転軸４の軸線に対する回転子６の外周面９の傾き）は、傾斜角度を同一に設定されているが、傾斜方向を互いに逆向きにしており、回転子５，６の大径側同士が互いに隣接して配置されている。つまり、回転子５，６の外周面９はそれぞれ軸方向外側に進むにしたがって縮径するコーン形状をなしている。なお、回転子５，６の大きさは同一寸法に設定されている。
【００１１】
回転子５，６はアクチュエータ（回転子作動手段）４３，４４によって軸方向へ移動せしめられる。アクチュエータ４３，４４は、例えばピストン・シリンダやステッピングモータなどにより構成されており、ピストン４１，４２が回転子５，６の小径側端部２０，２１に連係されている。アクチュエータ４３，４４はピストン４１，４２の伸縮長さを制御可能であり、ピストン４１，４２を伸縮することによって回転子５，６を軸方向に沿って互いに接近する方向へ移動させたり、互いに離間する方向へ移動させたりする。また、アクチュエータ４３，４４は図示しない制御装置によって同期制御され、回転子５，６を同時に同一寸法移動させることができる。なお、アクチュエータ４３，４４は回転子５，６の回転に干渉することなく回転子５，６を軸方向へ移動させることができるように構成されている。
【００１２】
そして、図３に示すように、回転子５，６の外周部には、軸方向に長く径方向に薄い平板状の永久磁石１０が、周方向等間隔に複数配置され、外周面９に沿って埋設されている。
【００１３】
固定子７，８はそれぞれ、回転子５，６の外周面９を取り囲むように配置されている。固定子７，８は、図３に示すように、筒状のヨーク部１２から複数のティース部１３が径方向内向きに突出し、該ティース部１３に巻線１４が巻き付けられて構成されており、ティース部１３の先端面が回転子５，６の外周面９に隙間を介して対向している。以下、ティース部１３の先端面を固定子７，８の内周面１１と称す。
【００１４】
図１，図２に示すように、固定子７，８の内周面１１は回転子５，６のコーン形状と略相似形に形成されている。つまり、固定子７のコーン形状の傾き（回転軸４の軸線に対する固定子７の内周面１１の傾き）と固定子８のコーン形状の傾き（回転軸４の軸線に対する固定子８の内周面１１の傾き）は、傾斜角度を同一に設定されているが、傾斜方向を互いに逆向きにされており、さらに、回転軸４の軸線に対する固定子７，８の内周面１１の傾斜角度が、回転軸４の軸線に対する回転子５，６の外周面９の傾斜角度とほぼ同一角度に設定されていて、互いに対向する外周面９と内周面１１とが平行な関係にされている。したがって、固定子７，８の内周面１１も軸方向外側に進むにしたがって縮径するコーン形状をなしている。
【００１５】
また、固定子７，８の軸方向長さは、回転子５，６の軸方向長さよりも長く、それぞれ対応する回転子５，６の軸方向移動範囲をカバーすることができる長さに設定されている。つまり、回転子５，６が軸方向いずれの位置に移動しても、回転子５，６の外周面９の全域が固定子７，８の内周面１１に対向するように設定されている。なお、固定子７，８の大きさは同一寸法に設定されている。
また、固定子７，８は、これら固定子７，８の外側に配置され図示しないケーシングに固定された剛体からなる連結部材１５によって、互いに相対移動不能に連結されている。
【００１６】
次に、この永久磁石同期電動機１の作用を説明する。永久磁石同期電動機１を弱め界磁の状態で運転する場合には、図１に示すように、アクチュエータ４３，４４のピストン４１，４２を伸ばし、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの回転子５，６を互いに接近する方向へ移動させる。図１は回転子５，６の大径側端部１６，１７を最接近させた状態を示しており、このときには回転子５，６の大径側端部１６，１７の軸方向位置が固定子７，８の大径側端部１８，１９の軸方向位置とほぼ一致し、一方、回転子５，６の小径側端部２０，２１と固定子７，８の小径側端部２２，２３との軸方向離間寸法が最大となる。
そして、この状態において回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１との離間寸法ｄが最大となり、磁路のリラクタンスが増大し、弱め界磁と同様な状態となる。
【００１７】
一方、永久磁石同期電動機１を弱め磁界の状態から強め磁界の状態での運転に切り換える場合には、図２に示すように、アクチュエータ４３，４４のピストン４１，４２を引き込み、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの回転子５，６を互いに離間する方向へ移動させる。図２は回転子５，６の大径側端部１６，１７を最大に離間させた状態を示しており、このときに回転子５，６の小径側端部２０，２１の軸方向位置が固定子７，８の小径側端部２２，２３の軸方向位置とほぼ一致する。
そして、この状態において回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１との離間寸法ｄが最小となり、磁路のリラクタンスが減少し、強め界磁と同様な状態となる。
【００１８】
なお、アクチュエータ４３，４４のピストン４１，４２の引き出し長さを制御することにより、回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１との離間寸法ｄを自由に制御することができ、そのようにすることにより、リラクタンスを適宜に変更してを界磁の強さを無段階に制御することができる。
【００１９】
ところで、回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１はそれぞれ軸方向外側に進むにしたがって縮径するコーン形状をなしているので、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂにおいてそれぞれ回転軸４に対して斜めに磁界が発生し、固定子７，８には斜め内側に向かう力が作用し、回転子５，６には斜め外側へ向かう力が作用する。
そのため、固定子７，８には互いに接近する方向にスラスト力が作用することとなる。しかしながら、固定子７，８に作用するスラスト力は連結部材１５に伝達されるので、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの電磁気的特性を合わせておくことにより、これらスラスト力は連結部材１５において相殺され、固定子７，８の歪みを低減あるいはゼロにすることができる。
一方、回転子５，６には互いに離間する方向にスラスト力が作用することになるので、回転子５，６はそれぞれ軸方向外側へ移動しようとするが、アクチュエータ４３，４４がこのスラスト力に抗して回転子５，６の軸方向移動を阻止する。
【００２０】
＜実施例２＞
次に、図４、図５の図面を参照して、この発明に係る永久磁石同期電動機の実施例２を説明する。
前記実施例１の永久磁石同期電動機１では、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの回転子５，６を軸方向へ移動することにより回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１との離間寸法ｄを変更し、界磁の強さを変更したが、実施例２の永久磁石同期電動機１では、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの回転子５，６は軸方向不能とし、固定子７，８を軸方向移動することにより実施例１と同様の作用を得るようにしている。
以下、実施例１の永久磁石同期電動機１と同一構成については同一態様部分に同一符号を付して説明を省略し、実施例２の永久磁石同期電動機１が実施例１のものと相違する構成について詳述する。
【００２１】
実施例２の永久磁石同期電動機１では、第１、第２の電動機の回転子５，６がいずれも回転軸４に周方向および軸方向へ移動不能に固定されている。
第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの固定子７，８は、周方向へ移動不能で軸方向へ移動可能に、図示しないケーシングに取り付けられている。また、この固定子７，８はアクチュエータ（固定子作動手段）４５によって軸方向へ移動することができるようにされている。アクチュエータ４５は固定子７，８の間に配置されており、例えば一対のアーム４６，４７やアーム４６，４７を開閉させるステッピングモータ（図示略）などにより構成され、アーム４６，４７の先端部が固定子７，８の大径側端部１８，１９に連係されている。アクチュエータ４５は図示しない制御装置によって制御され、アーム４６，４７を同時に同一寸法だけ開閉することができ、アーム４６，４７を開閉することによって固定子７，８を軸方向に沿って互いに接近する方向へ移動させたり、互いに離間する方向へ移動させたりすることができる。
【００２２】
実施例２の永久磁石同期電動機１を弱め界磁の状態で運転する場合には、図４に示すように、アクチュエータ４５のアーム４６，４７を開き、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの固定子７，８を互いに離間する方向へ移動させる。図４は固定子７，８の大径側端部１８，１９を最大に離間させた状態を示しており、このときには固定子７，８の小径側端部２２，２３は回転子５，６の小径側端部２０，２１よりも軸方向外側へ突出し、その突出寸法が最大となる。一方、回転子５，６の大径側端部１６，１７が固定子７，８の大径側端部１８，１９から突出し、その突出寸法が最大となる。
そして、この状態において回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１との離間寸法ｄが最大となり、磁路のリラクタンスが増大し、弱め界磁と同様な状態となる。
【００２３】
一方、永久磁石同期電動機１を弱め磁界の状態から強め磁界の状態での運転に切り換える場合には、図５に示すように、アクチュエータ４５のアーム４６，４７を閉じ、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの固定子７，８を互いに接近する方向へ移動させる。図５は固定子７，８の大径側端部１８，１９を最接近させた状態を示しており、このときには固定子７，８の大径側端部１８，１９の軸方向位置が回転子５，６の大径側端部１６，１７の軸方向位置とほぼ一致し、固定子７，８の小径側端部２２，２３の軸方向位置が回転子５，６の小径側端部２０，２１の軸方向位置とほぼ一致する。
そして、この状態において回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１との離間寸法ｄが最小となり、磁路のリラクタンスが減少し、強め界磁と同様な状態となる。
【００２４】
なお、アクチュエータ４５のアーム４６，４７の開閉角度を制御することにより、回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１との離間寸法ｄを自由に制御することができ、そのようにすることにより、リラクタンスを適宜に変更してを界磁の強さを無段階に制御することができる。
【００２５】
実施例２の永久磁石同期電動機１においても、回転子５，６には互いに離間する方向にスラスト力が作用することになる。しかしながら、回転子５，６に作用するスラスト力は回転軸４に伝達されるので、第１、第２の電動機１Ａ，１Ｂの電磁気的特性を合わせておくことにより、これらスラスト力は回転軸４において相殺され、回転軸４の歪みを低減あるいはゼロにすることができる。その結果、永久磁石同期電動機１の回転軸４に例えば出力伝達用のギヤを設けた場合にギヤの噛み合いを安定させることができ、また、軸受２，３の耐久性が向上する。
【００２６】
一方、固定子７，８には互いに接近する方向にスラスト力が作用することになるので、固定子７，８はそれぞれ軸方向内側へ移動しようとするが、アクチュエータ４５のアーム４６，４７がこのスラスト力に抗して固定子７，８の軸方向移動を阻止する。
【００２７】
なお、前述した実施例１，２では回転子５，６の外周面９と固定子７，８の内周面１１を直線的なコーン形状としたが、図６に示すように外周面９と内周面１１を放物線や円弧など曲線的なコーン形状とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明に係る永久磁石同期電動機の実施例１において弱め磁界での使用形態を示す断面図である。
【図２】前記実施例１の永久磁石同期電動機において強め磁界での使用形態を示す断面図である。
【図３】前記実施例１の永久磁石同期電動機の軸方向一方から見た端面図である。
【図４】この発明に係る永久磁石同期電動機の実施例２において弱め磁界での使用形態を示す断面図である。
【図５】前記実施例２の永久磁石同期電動機において強め磁界での使用形態を示す断面図である。
【図６】この発明に係る永久磁石同期電動機の他の実施例における断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  永久磁石同期電動機
１Ａ  第１の電動機
１Ｂ  第２の電動機
４  回転軸
５，６  回転子
７，８  固定子
９  外周面
１０  永久磁石
１１  内周面
１５  連結部材
４３，４４  アクチュエータ（回転子作動手段）
４５  アクチュエータ（固定子作動手段）
【図１】
2008301650.tif 000003
【図２】
2008301650.tif 000004
【図３】
2008301650.tif 000005
【図４】
2008301650.tif 000006
【図５】
2008301650.tif 000007
【図６】
2008301650.tif 000008