(57)【要約】【課題】この発明は、ロータとステータとの間の空隙距離が一定な、かつ永久磁石の断面形状における長さを長くでき、磁石磁束量を確保できる永久磁石式回転電機を得る。【解決手段】断面矩形の平板状に作製され、厚み方向に着磁された第１永久磁石１３ａが、着磁方向を周方向一側に向けて、その断面矩形の長辺方向を直径方向に向けて、かつその断面矩形の中心を同一円周上に位置させて、周方向に２磁極ピッチで配列されてロータ基部１２内に固定状態に埋め込まれて、第１永久磁石群を構成している。第１永久磁石１３ａと同じである第２永久磁石１３ｂが、その断面矩形の中心を同一円周上に位置させて、かつ周方向に隣接する第１永久磁石１３ａの間の中央に位置させて、周方向に２磁極ピッチで配列されて、その断面矩形の中心周りに回転自在にロータ基部１２内に埋め込まれて、第２永久磁石群を構成している。【選択図】図２
2008072849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースと、上記ケース内に回転自在に配設されたロータと、上記ロータを取り囲んで上記ケースに保持された円環状のステータと、を備える永久磁石式回転電機において、
上記ロータは、
上記ケースに軸支されたシャフトが軸心位置に挿通されて、該シャフトに固着されたロータ基部と、
断面矩形の平板状に作製され、厚み方向に着磁された第１永久磁石が、着磁方向を周方向一側に向けて、その断面矩形の長辺方向を直径方向に向けて、かつその断面矩形の中心を同一円周上に位置させて、周方向に２磁極ピッチで配列されて上記ロータ基部内に固定状態に埋め込まれて構成される第１永久磁石群と、
上記第１永久磁石と同じである第２永久磁石が、その断面矩形の中心を上記同一円周上に位置させて、かつ周方向に隣接する上記第１永久磁石の間の中央に位置させて、周方向に２磁極ピッチで配列されて上記ロータ基部内に埋め込まれ、その断面矩形の中心周りに回転する第２永久磁石群と、を備え、
上記第１永久磁石群および上記第２永久磁石群により磁極を構成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
ケースと、上記ケース内に回転自在に配設されたロータと、上記ロータを取り囲んで上記ケースに保持された円環状のステータと、を備える永久磁石式回転電機において、
上記ロータは、
上記ケースに軸支されたシャフトが軸心位置に挿通されて、該シャフトに固着されたロータ基部と、
断面矩形の平板状に作製され、厚み方向に着磁された第１永久磁石が、着磁方向を周方向一側に向けて、その断面矩形の長辺方向を直径方向に向けて、かつその断面矩形の中心を同一円周上に位置させて、周方向に２磁極ピッチで配列されて上記ロータ基部内に固定状態に埋め込まれて構成される第１永久磁石群と、
上記第１永久磁石と同じである第２永久磁石が、その断面矩形の中心を上記同一円周上に位置させて、かつ周方向に隣接する上記第１永久磁石の間の中央に位置させて、周方向に２磁極ピッチで配列されて上記ロータ基部内に埋め込まれて構成される第２永久磁石群と、を備え、
上記第２永久磁石群を構成する所定個数の上記第２永久磁石が、その断面矩形の中心周りに回転し、かつ上記第２永久磁石群を構成する残りの上記第２永久磁石が、着磁方向を周方向他側に向けて、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けて、上記ロータ基部内に固定状態に埋め込まれ、
上記第１永久磁石群および上記第２永久磁石群により磁極を構成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
上記ロータ基部内にて回転する上記第２永久磁石は、その矩形断面の長辺からなる両側面を断面略半円形の柱状の一対の充填部材に挟持されて円柱磁極に構成され、上記ロータ基部に穿設された円筒状のスリットに回転自在に、かつ軸方向の移動を規制されて装着されており、
上記シャフトに回転を規制されて、かつ軸方向に移動可能に取り付けられて上記ロータ基部の軸方向一側に配設された直動部材と、上記直動部材を軸方向に直動させる直動機構と、上記直動部材の直動力を上記第２永久磁石の断面矩形の中心周りの回転力に変換して上記円柱磁極に伝達する動力変換機構と、からなる上記円柱磁極の自転角操作手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の永久磁石式回転電機。
【請求項４】
上記動力変換機構は、上記直動部材のロータ基部側に凹設された円筒状の収納凹部と、上記円柱磁極から同軸に延設されて上記収納凹部内に収納される円柱状の動力伝達部材と、上記収納凹部の内周面および上記動力伝達部材の外周面に凹設された螺旋状溝と、上記螺旋状溝内に配設されたボールと、を備えていることを特徴とする請求項３記載の永久磁石式回転電機。
【請求項５】
上記直動機構は、上記ケースのロータ基部側に上記シャフトと同心状のリング状の凹空間に形成されたシリンダと、上記直動部材のロータ基部と反対側から同心状に突設され、上記シリンダの凹空間内に摺動自在に嵌着されるリング状のピストンと、上記シリンダと上記ピストンとで構成される空間内に油を出し入れする油圧調整機構と、を備えていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の永久磁石式回転電機。
【請求項６】
上記直動機構は、上記直動部材をロータ基部側に付勢する付勢手段と、上記直動部材のロータ基部と反対側に配設され、上記付勢手段に付勢力に抗して上記直動部材を磁気吸引する電磁石と、を備えていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロータに永久磁石を埋め込んだ永久磁石式回転電機に関し、特に永久磁石の磁界方向を可変とする構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の永久磁石式回転電機は、小型高効率である反面、発生磁束量が一定であるため、電圧が回転数に対して変化する。このため、永久磁石式回転電機を駆動するインバータ装置の電源容量が大型化していた。また、磁束量を負荷に応じて増減できないため、高速域では鉄損が大きくなり、高速低出力域では効率が低下していた。
【０００３】
この状況に鑑み、永久磁石の磁束量を可変とする方法が種々提案されている。
例えば、特許文献１に記載されている従来の回転電機では、長円柱状のロータ磁石部が、その外縁を円盤状のロータ基部の外周より僅かに飛び出すようにして、ロータ基部の周方向に等間隔で配置されている。そして、ロータ磁石部は、ロータ基部の前後に配された回転支持機構により、ロータ軸を中心として公転しつつ自転する。また、断面矩形の平板状に作製された永久磁石が、ロータ磁石部の軸からオフセットされた位置で、かつ直径方向に対してほぼ直角となるようにロータ磁石部に埋め込まれている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３６９５３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の回転電機では、長円柱状のロータ磁石部の外縁が円盤状のロータ基部の外周より僅かに飛び出すようにして配置されているので、ロータとステータとの間の空隙距離が周方向に関して一定ではなく、等価的な空隙長増加を招き、磁石磁束量が低下するという課題があった。
また、断面矩形の平板状に作製された永久磁石が、ロータ磁石部の軸からオフセットされた位置で、かつ直径方向に対してほぼ直角となるようにロータ磁石部に埋め込まれているので、永久磁石の断面矩形における長辺長さがロータ磁石部の直径に対して短くなり、磁石磁束量が不足してしまうという課題もあった。さらに、長円柱状のロータ磁石部がロータ基部の周方向に等間隔で配置されているので、磁極数が多くなるほどロータ磁石部の直径が小さくなり、永久磁石の断面矩形における長辺長さがますます短くなり、磁石磁束量の不足を助長してしまうことになる。
【０００６】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、第１永久磁石と第２永久磁石とを交互に、かつ等角ピッチで配列して円柱状のロータ基部内に埋め込み、その際に、第２永久磁石群のなかの少なくとも１つの第２永久磁石をその中心周りに回転自在に、かつ第１永久磁石および残る第２永久磁石を固定状態として、ロータとステータとの間の空隙距離が一定な、かつ永久磁石の断面形状における長さを長くでき、磁石磁束量を確保できる永久磁石式回転電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による永久磁石式回転電機は、ケースと、上記ケース内に回転自在に配設されたロータと、上記ロータを取り囲んで上記ケースに保持された円環状のステータと、を備えている。上記ロータは、上記ケースに軸支されたシャフトが軸心位置に挿通されて、該シャフトに固着されたロータ基部と、断面矩形の平板状に作製され、厚み方向に着磁された第１永久磁石が、着磁方向を周方向一側に向けて、その断面矩形の長辺方向を直径方向に向けて、かつその断面矩形の中心を同一円周上に位置させて、周方向に２磁極ピッチで配列されて上記ロータ基部内に固定状態に埋め込まれて構成される第１永久磁石群と、上記第１永久磁石と同じである第２永久磁石が、その断面矩形の中心を上記同一円周上に位置させて、かつ周方向に隣接する上記第１永久磁石の間の中央に位置させて、周方向に２磁極ピッチで配列されて上記ロータ基部内に埋め込まれ、その断面矩形の中心周りに回転する第２永久磁石群と、を備える。そして、上記第１永久磁石群および上記第２永久磁石群により磁極を構成する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、第１および第２永久磁石がロータ基部内に埋め込まれているので、第１および第２永久磁石の外縁がロータ基部の外周より飛び出すことがなく、ロータとステータとの間の空隙距離が周方向に関して一定となる。
また、第１および第２永久磁石が矩形断面の平板状に作製され、厚み方向に着磁されており、第１永久磁石が、着磁方向を周方向一側に向けて、その断面矩形の長辺方向を直径方向に向けて配列されている。そして、第２永久磁石群を構成する第２永久磁石のみが回転自在に構成されているので、ロータ基部の軸心と直交する断面において、第２永久磁石の回転する領域を、ほぼ２磁極ピッチの範囲まで広げることが可能となる。さらに、回転する第２永久磁石がその矩形断面の中心周りに回転自在に構成されている。そこで、第１および第２永久磁石の双方を回転自在とした場合に比べて、第２永久磁石のみを回転自在とした場合は、第１および第２永久磁石の断面矩形の長辺長さを長くでき、磁石磁束量を増加することができる。
【０００９】
また、第２永久磁石の回転角を調整することにより、磁束量を可変にできるので、電圧制御の範囲が飛躍的に拡がる。そこで、モータを駆動するインバータ、あるいは発電を制御するコンバータの容量を大きく低減できる。
さらに、第２永久磁石の回転角を調整することにより、ロータ表面の磁束をほぼゼロにできる。そこで、ステータの磁束密度を負荷に応じて調整でき、高速低負荷時の鉄損を低減し、効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機を示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機を示す横断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における円柱磁極の構成を説明する分解斜視図、図４はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における円柱磁極をロータ基部に装着した状態を示す要部正面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における円柱磁極をロータ基部に取り付けた状態を示す斜視図、図６はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における直動部材を前面側から見た斜視図、図７はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における直動部材を背面側から見た斜視図、図８はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における自転角操作手段の動作状態を示す縦断面図、図９乃至図１１はそれぞれこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における永久磁石の自転角に対する磁束線の変化を磁界解析により求めた結果を示す図、図１２はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における永久磁石の自転角と固定子に鎖交する磁束量の変化との関係を示す図である。
【００１１】
なお、説明の便宜上、図２、図４および図５ではステータコイルが省略され、図３および図５では螺旋状溝が省略されている。
【００１２】
図１および図２において、永久磁石式回転電機は、ケース１と、ケース１に一対の軸受２を介して回転自在に支持されたシャフト３と、シャフト３に固着されてケース１内に回転自在に配設されたロータ１０と、ケース１に支持されてロータ１０を囲繞して配設されたステータ４と、後述する永久磁石の自転角操作手段３０と、を備えている。
ステータ４は、スロット６が開口を内周側に向けて周方向に等角ピッチで形成された円環状のステータコア５と、スロット６に巻装されたステータコイル７と、を備えている。
【００１３】
ロータ１０は、ステンレスやアルミニウム等の非磁性材料で作製され、シャフト３に外嵌状態に固定されるスリーブ１１と、鉄等の磁性材料で円筒状の外周面形状を有する筒状体に作製され、軸心をシャフト３の軸心に一致させてスリーブ１１に外嵌状態に固定されるロータ基部１２と、断面矩形の平板状に作製され、断面矩形の中心をシャフト３の軸心を中心とする同一円周上に位置させて周方向に等角ピッチ（１磁極ピッチαに相当）で配列されてロータ基部１２内に埋設された所定数の永久磁石１３と、を備えている。ここでは、１６個の永久磁石１３がロータ基部１２に埋設され、磁極数は１６となる。
【００１４】
永久磁石１３は、厚み方向（断面矩形の短辺に沿った方向、即ち短辺方向）に着磁されている。そして、８個の永久磁石１３が、図２中矢印で示されるように、着磁方向を周方向一側に向けて、その断面矩形の長辺方向を直径方向に向けて、かつその断面矩形の中心を同一円周上に位置させて、周方向に２磁極ピッチ（２α）で配列されてロータ基部１２内に固定状態に埋め込まれ、第１永久磁石群を構成している。
また、残る８個の永久磁石１３が、その断面矩形の中心を同一円周上に位置させて、かつ周方向に隣接する第１永久磁石群を構成する第１永久磁石１３の間の中央に位置させて、周方向に２磁極ピッチ（２α）で配列されて、その断面矩形の中心周りに回転（自転）自在にロータ基部１２内に埋め込まれて、第２永久磁石群を構成している。
【００１５】
以下、便宜上、第１永久磁石群を構成する永久磁石を第１永久磁石１３ａとし、第２永久磁石群を構成する永久磁石を第２永久磁石１３ｂとして説明する。
【００１６】
充填部材１４は、鉄等の磁性材料で断面略半円形の柱状体に作製されている。そして、永久磁石１３ｂは、図３に示されるように、その断面矩形の長辺で構成される両側面に宛われた一対の充填部材１４により挟持、一体化されて、円柱磁極１５を構成している。なお、第２永久磁石１３ｂの断面矩形の中心が、円柱磁極１５の軸心に一致する。
【００１７】
この円柱磁極１５が、図２および図４に示されるように、ロータ基部１２に穿設されたスリット１６に挿入されている。そして、スリット１６からの抜けを防止するストッパ１７が円柱磁極１５の両端に装着されている。スリット１６は、穴方向をシャフト３の軸心と平行とし、円柱磁極１５の外径より僅かに大きな内径を有する断面円形に形成されている。また、スリット１６は、その穴中心を、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂの断面矩形の中心と同一の円周上に位置するように、周方向に２磁極ピッチ（２α）で配列されている。これにより、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂは交互に周方向に１磁極ピッチ（α）で配列される。
【００１８】
また、円柱状の動力伝達部材１８が、図３に示されるように、円柱磁極１５の一端から同軸に延設されている。そして、円柱磁極１５がロータ基部１２に装着された状態では、８本の動力伝達部材１８が、図５に示されるように、周方向に２磁極ピッチ（２α）で配列されて、ロータ基部１２の一端から延出されている。
【００１９】
直動部材１９は、図６および図７に示されように、円柱体に作製され、シャフト挿入孔２０が軸心位置に穿設されている。また、８つの断面円形の収納凹部２１が、直動部材１９の一端面に、穴方向を軸心と平行にして、穴中心を同一円周上に位置させて、周方向に２磁極ピッチ（２α）で配列されて、凹設されている。なお、収納凹部２１は、動力伝達部材１８の外径より僅かに大きな内径に形成され、その穴中心は、動力伝達部材１８の軸心と同一の円周上に位置している。さらに、リング状のピストン２２が、直動部材１９の他端面から同心状に突設されている。この直動部材１９は、シャフト３に形成されたスプライン３ａをシャフト挿入孔２０に挿通し、一端面をロータ基部１２に向けて、シャフト３に回転を規制されて、かつ、軸方向に移動可能に取り付けられる。
【００２０】
シリンダ２３は、図１に示されるように、ケース１のロータ基部側にシャフト３と同心状のリング状の凹空間に形成されている。そして、ピストン２２がシリンダ２３の凹空間内にシャフト３周りに回転自在に、かつシャフト３の軸心方向に摺動自在に嵌着されている。そして、油圧調整機構としての外部油圧機構２５がシリンダ２３に接続され、油２４がピストン２２とシリンダ２３とで構成される空間内に供給／排出されるようになっている。また、図示していないが、Ｏリングがピストン２２とシリンダ２３との間に介装されており、油２４の漏れを防止している。
【００２１】
そして、収納凹部２１と動力伝達部材１８とは、収納凹部２１の内周面および動力伝達部材１８の外周面に切られた螺旋状溝２６ａ，２６ｂと、螺旋状溝２６ａ，２６ｂ内に収納されたボール２７とからなるボールねじ機構により連結されている。
【００２２】
なお、動力変換機構が、収納凹部２１、動力伝達部材１８、螺旋状溝２６ａ，２６ｂおよびボール２７から構成され、直動機構が、ピストン２２、シリンダ２３および外部油圧機構２５から構成されている。そして、自転角操作手段３０が、直動部材１９、動力変換機構および直動機構から構成されている。
【００２３】
つぎに、このように構成された永久磁石式回転電機における自転角操作手段３０の動作について説明する。
油２４が外部油圧機構２５からシリンダ２３内に供給されると、ピストン２２をロータ基部側に押圧する力が発生する。これにより、直動部材１９がシャフト３のスプライン３ａに沿ってロータ基部側に移動する。この直動部材１９に移動力が、螺旋状溝２６ａ，２６ｂおよびボール２７とからなるボールねじ機構により動力伝達部材１８の軸心周りの回転力に変換される。ついで、動力伝達部材１８と一体に構成されている円柱磁極１５がスリット１６内で回転、即ち自転する。そして、直動部材１９はシャフト３に設けられたストッパ３ｂに当接して、それ以上の移動が規制される。この状態が図１に示される。この時、第２永久磁石１３ｂは、図２および図９中矢印で示されるように、着磁方向を周方向他側に向け、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けている。
【００２４】
また、油２４が外部油圧機構２５によりシリンダ２３から排出されると、ピストン２２をロータ基部１２と反対側、即ちロータ基部１２から離反する方向に吸引する力が発生する。これにより、直動部材１９が、図８中矢印で示されるように、シャフト３のスプライン３ａに沿ってロータ基部１２と反対側に移動する。この直動部材１９に移動力が、図８中矢印で示されるように、螺旋状溝２６ａ，２６ｂおよびボール２７とからなるボールねじ機構により動力伝達部材１８の軸心周りの逆向きの回転力に変換される。ついで、動力伝達部材１８と一体に構成されている円柱磁極１５がスリット１６内で逆回りに自転する。そして、直動部材１９はシリンダ２３の端面に当接して、それ以上の移動が規制される。この状態が図８に示される。この時、第２永久磁石１３ｂは、図１１中に矢印で示されるように、着磁方向を周方向一側に向け、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けている。
【００２５】
このように、自転角操作手段３０は、第２永久磁石１３ｂが円柱磁極１５の軸心回りに１８０°回動するように構成されている。そして、第２永久磁石１３ｂの回転（自転）角度は、油圧を調整することによって制御される。
【００２６】
ついで、第２永久磁石１３ｂの自転角度と固定子鎖交磁束量との関係について、図９乃至図１２を参照しつつ説明する。
まず、第２永久磁石１３ｂが着磁方向を周方向他側に向け、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けている状態では、第２永久磁石１３ｂで発生した磁束は、図９に示されるように、充填部材１４およびロータ基部１２を通り、空隙を介して固定子鉄心５に入り、再度空隙を介してロータ基部１２に入り、充填部材１４を介して第２永久磁石１３ｂに戻るように流れる。この時の固定子鎖交磁束量は最大となる（図１２中点Ａ）。
【００２７】
そして、第２永久磁石１３ｂがこの状態から自転を始めると、第２永久磁石１３ｂで発生した磁束が充填部材１４およびロータ基部１２を通り、隣の第１永久磁石１３ａに流れ込むようになる。これにより、空隙を介して固定子鉄心５に入る磁束量が減少し、固定子鎖交磁束量が減少する。そして、図１０に示されるように、第２永久磁石１３ｂの自転角度が９０°となると、固定子鎖交磁束量は約１／４にまで減少する（図１２中点Ｂ）。
【００２８】
そして、第２永久磁石１３ｂの自転角度が１８０°となると、第２永久磁石１３ｂは、図１１に示されるように、着磁方向を周方向一側に向け、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けている状態となる。この状態では、全ての第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂの着磁方向が周方向一側に揃い、第２永久磁石１３ｂで発生した磁束のほぼ全量が充填部材１４およびロータ基部１２を通り、隣の第１永久磁石１３ａに流れ込む。そこで、固定子鎖交磁束量はほぼゼロとなる（図１２中点Ｃ）。
【００２９】
このように、この実施の形態１によれば、第２永久磁石１３ｂの自転角度を調整することにより、固定子鎖交磁束量を調整することができる。
そこで、高速低負荷時に、固定子鎖交磁束量を極端に低減させるように第２永久磁石１３ｂの自転角度を調整すれば、高速低負荷時の鉄損が小さくなり、ロータ１０からの漏れ磁束による高調波鉄損も小さくなり、高効率な特性を実現できる。
また、固定子鎖交磁束量を調整することで、電圧制御の範囲が飛躍的に拡がり、モータを駆動するインバータ、或いは発電を制御するコンバータの容量を大きく低減できる。
【００３０】
また、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂがロータ基部１２内に埋め込まれているので、ロータ１０の外周面が完全な円筒面となる。そこで、ステータ４とロータ１０との間の空隙が周方向に関して一定となり、小さくできる。その結果、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂからみた磁気抵抗が小さくなり、磁石磁束量を増やすことができ、小型高出力のモータを実現できる。さらに、ロータ１０の外周面が完全な円筒面となるので、高速回転時の風損も少なくできる。
【００３１】
また、第２永久磁石１３ｂのみを自転自在に構成しているので、ロータ基部１２の軸心と直交する断面において、第２永久磁石の自転領域をほぼ２磁極ピッチの範囲まで広げることができる。このように、第２永久磁石１３ｂのみを自転するようにすることで、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂの両方を自転する場合に比べ、円柱磁極１５の直径をほぼ２倍まで大きくすることができる。その結果、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂの断面矩形の長辺長さを長くすることができる。また、第２永久磁石１３ｂの断面矩形の中心を円筒磁極１５の軸心（自転の中心）としているので、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂの断面矩形の長辺長さを長くすることができる。これにより、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂの表面積が増えるので、磁石磁束量を増大することができる。また、半数の永久磁石を自転させているので、全ての永久磁石を自転させる場合に比べ、自転角操作手段３０を著しく簡略化できる。
【００３２】
また、第２永久磁石１３ｂからなる円柱磁極１５がロータ基部１２内に埋め込まれているので、図４に示されるように、円柱磁極１５の内径側および外径側のブリッジ部２８で、ロータ１０の回転時の遠心力を支える必要がある。そこで、ブリッジ部２８が大きくなり、漏れ磁路を大きくしてしまう。この発明では、第２永久磁石１３ｂのみを自転するように構成しているので、上述の通り、磁石磁束量を増大することができる。これにより、ブリッジ部２８での漏れ磁束を補って、十分な磁束量を確保することができる。
【００３３】
また、直動機構が外部油圧機構２５から油圧をシリンダ２３に供給してピストン２２を作動させるように構成されているので、円筒磁極１５を自転させるための大きな軸方向推進力を簡易に得ることができる。また、油圧調整バルブなどの簡易な弁機構を用いることで、円筒磁極１５の自転角度を簡易に制御することができる。さらに、スラストベアリングなどの高価な機械要素も不要となる。
また、直動部材１９の直動力をボールねじ機構により第２永久磁石１３ｂの中心周りの回転力に変換しているので、動力変換機構を簡易な構成で実現できる。
【００３４】
なお、上記実施の形態１では、ボールねじ機構により直動部材１９の直動力を第２永久磁石１３ｂの中心周りの回転力に変換するものとしているが、変換機構はボールねじ機構に限らず、直動力を回転力に変換できるものであればよく、例えば収納凹部２１の内周面および動力伝達部材１８の外周面の一方に螺旋状溝を形成し、他方に螺旋状溝に係合するピンを設けてもよい。
【００３５】
実施の形態２．
図１３および図１４はそれぞれこの発明の実施の形態２に係る永久磁石式回転電機を示す縦断面図であり、図１３は自転角操作手段の非作動状態を示し、図１４は自転角操作手段の動作状態を示している。
図１３および図１４において、テーパ形状の磁極部３１が直動部材１９Ａのロータ基部１２と反対側に同心状のリング状に突設され、円筒状の電磁石３２が磁極部３１と相対してケース１に配設され、コイルバネ３３が直動部材１９Ａをロータ基部側に付勢するようにケース１と直動部材１９Ａとの間に縮設されている。ここで、磁極部３１、電磁石３２およびコイルバネ３３により直動機構を構成している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３６】
この実施の形態２では、図１３に示されるように、電磁石３２への通電が遮断されると、直動部材１９Ａはコイルバネ３３の付勢力によりロータ基部側に移動し、ストッパ３ｂに当接して、それ以上の移動が規制される。この時、第２永久磁石１３ｂは、図９に示されるように、着磁方向を周方向他側に向け、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けている状態となる。
【００３７】
また、電磁石３２に通電されると、直動部材１９Ａは電磁石３２の磁気吸引力により、コイルバネ３３の付勢力に抗してロータ基部１２と反対側に移動する。そして、直動部材１９Ａは、図１４に示されるように、電磁石３２に当接して、それ以上の移動が規制される。この時、第２永久磁石１３ｂは、図１１に示されるように、着磁方向を周方向一側に向け、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けている状態となる。そして、電磁石３２への通電量を制御することにより、直動部材１９Ａの軸方向位置が調整される。即ち、第２永久磁石１３ｂの自転角度が調整される。
【００３８】
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、この実施の形態２では、電磁石３２への通電が遮断されているときに、第２永久磁石１３ｂが、着磁方向を周方向他側に向け、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けている状態となっており、電磁石３２への通電により、第２永久磁石１３ｂを自転させて磁束量を低減するようにしている。そこで、低速大トルクを多用する電気自動車にこの永久磁石式回転電機を適用すれば、優れた効果が得られる。つまり、多用する低速大トルクの通常領域では、磁束量を最大として運転し、急加速や高速回転時などの短時間領域では、トルク指令に応じて電磁石３２の磁気吸引力を上げるように制御することで、電磁石３２の損失を最小限にすることができる。
【００３９】
また、上記実施の形態２において、電磁石３２への通電が遮断されているときに、第２永久磁石１３ｂが、着磁方向を周方向一側に向け、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けている状態となるようにし、電磁石３２への通電により、第２永久磁石１３ｂを自転させて磁束量を増大するようにしてもよい。この場合、電磁石３２への通電を遮断しているときに、ロータ１０の表面における磁束がゼロとなり、過大な誘起電圧の発生を抑制でき、フェールセーフという効果が得られる。
【００４０】
なお、上記実施の形態２では、コイルバネ３３で直動部材１９Ａをロータ基部側に付勢しておき、電磁石３２の磁気吸引力で直動部材１９Ａを引き寄せるものとしているが、コイルバネ３３で直動部材１９Ａをロータ基部１２と反対側に付勢しておき、電磁石３２の磁気斥力で直動部材１９Ａを離反させるようにしてもよい。
また、上記各実施の形態では、全ての第２永久磁石１３ｂを自転する構成とするものとしているが、必ずしも全ての第２永久磁石１３ｂを自転する構成とする必要はなく、１つ以上の所定個数の第２永久磁石１３ｂを自転する構成とすればよい。この場合、残る第２永久磁石１３ｂは、着磁方向を周方向他側に向けて、かつその断面矩形の長辺方向を直径方向に向けて、ロータ基部１２に固定状態に埋め込まれることになる。そこで、自転する第２永久磁石１３ｂの数が少なくなり、自転角操作手段の構成がより簡素化される。
【００４１】
以上述べたように、この発明によれば、最大磁束量が大きく、同時に最小磁束量が小さな磁束可変型の永久磁石式モータを簡易に実現できる。
また、この発明は、回転電機全般に適用可能である。
例えば、本永久磁石式回転電機をエンジン駆動式の永久磁石式発電機に適用できる。この場合、永久磁石式回転電機は、エンジンと動力的に接続され、整流ダイオードブリッジを介してバッテリなど電圧が所定の範囲であることが要求される直流バス配線に電気的に接続され、エンジン駆動式の発電機システムを構築する。この発電機システムでは、エンジンの回転数や負荷により生じる電圧変動を、永久磁石式回転電機により磁束量を変えることで補償することができ、安価な低電圧発電機を実現できる。
【００４２】
また、本永久磁石式回転電機を大きな加速トルクと高速回転とを両立させる電気自動車や鉄道などに適用した場合、高速域でインバータによって問題となる過大な誘起電圧を低減することができる。
また、本永久磁石式回転電機を高速で無負荷待機することの多い工作機主軸用回転機に適用すれば、本永久磁石式回転電機における磁束量を減らして鉄損を低減できるという効果によって、温度上昇が小さくなり、加工精度の高い工作機主軸用回転機が実現される。
【００４３】
更には、本永久磁石式回転電機を可変速運転する内燃機関と接続して発電機として使用すれば、内燃機関の回転数が出力に応じて変化する場合でも、磁束量を調整することで、端子電圧を一定にすることができる。そのため、高価なＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を用いることなく、安価な整流ダイオードブリッジによって一定電圧の直流電圧を得ることができる。そこで、電圧許容範囲が限定された発電システムにおいても、安価な発電機システムを得ることができる。
また、永久磁石を用いたシステムは、界磁にコイルを用いたランデル型発電機より小型高出力化が可能であり、発電機を小型で低慣性にすることができる。発電機の慣性が小さいと、ベルトとプーリとの間の慣性トルクが低減し、ベルトのすべりによる騒音の発生やベルト寿命の低下を抑制できる。
【００４４】
なお、上記各実施の形態では、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂが断面矩形に形成されているものとしているが、断面矩形は、完全な長方形に限らず、平行な直線からなる長辺と円弧からなる短辺とで形成される断面形状も含むものとする。この場合、円柱磁極１５が完全な円柱体となる。
また、上記各実施の形態では、第１および第２永久磁石１３ａ，１３ｂが断面矩形に形成されているものとしているが、断面矩形は、完全な長方形に限らず、４隅に面取りを施した断面形状も含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機を示す縦断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機を示す横断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における円柱磁極の構成を説明する分解斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における円柱磁極をロータ基部に装着した状態を示す要部正面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における円柱磁極をロータ基部に取り付けた状態を示す斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における直動部材を前面側から見た斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における直動部材を背面側から見た斜視図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における自転角操作手段の動作状態を示す縦断面図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における永久磁石の自転角に対する磁束線の変化を磁界解析により求めた結果を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における永久磁石の自転角に対する磁束線の変化を磁界解析により求めた結果を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における永久磁石の自転角に対する磁束線の変化を磁界解析により求めた結果を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機における永久磁石の自転角と固定子に鎖交する磁束量の変化との関係を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態２に係る永久磁石式回転電機を示す縦断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態２に係る永久磁石式回転電機を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
３  シャフト、４  ステータ、１０  ロータ、１２  ロータ基部、１３ａ  第１永久磁石、１３ｂ  第２永久磁石、１４  充填部材、１５  円柱磁極、１６  スリット、１８  動力伝達部材（動力変換機構）、１９，１９Ａ  直動部材、２１  収納凹部（動力変換機構）、２２  ピストン（直動機構）、２３  シリンダ（直動機構）、２５  外部油圧機構（油圧調整機構、直動機構）、２６ａ，２６ｂ  螺旋状溝（動力変換機構）、２７  ボール（動力変換機構）、３０  自転角操作手段、３１  磁極部（直動機構）、３２  電磁石（直動機構）、３３  コイルバネ（直動機構）。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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