(57)【要約】    【課題】  回転電機において、高速回転時におけるモータ効率を向上させることができる回転電機を提供する。    【解決手段】  ステータ６と、ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータ４と、ロータに対するステータのロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段１１・１２とを有し、ステータとロータとのいずれか一方に電機子コイル９及び電機子コイルが巻かれたコア６ａが設けられ、他方にコアに対峙するようにマグネット５が設けられた回転電機であって、マグネットは表面磁束密度が異なる２以上のマグネットを軸線方向に沿って連続的に含み、ステータの軸線Ａ方向での連続した位置変化により電機子コイルが巻かれたコアに作用する有効磁束が連続的に変化するように配設される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、前記ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータと、前記ロータに対する前記ステータの前記ロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段とを有し、前記ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、他方に前記コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機であって、
前記マグネットは表面磁束密度が異なる２以上のマグネット片を前記軸線方向に連続的に設けて形成されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記２以上のマグネット片は前記コアの前記マグネットに対する移動範囲の全範囲に渡って延在することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記２以上のマグネット片は前記軸線方向で前記２以上のマグネットの磁極面と前記軸線との距離が階段状に変化するように配設されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記２以上のマグネット片は前記軸線方向で前記２以上のマグネットの磁極面と前記軸線との距離が連続的に変化するように配設されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項５】
ステータと、前記ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータと、前記ロータに対する前記ステータの前記ロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段とを有し、前記ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、他方に前記コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機であって、
前記マグネットは、前記コアの前記マグネットに対する移動範囲の全範囲に渡って延在し、前記ステータの前記軸線方向での連続した位置変化により、前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記磁極面に対峙する対峙面との平均距離が変化するように配設されることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
前記マグネットは前記軸線方向で前記マグネットの磁極面と前記軸線との距離が階段状に変化するように配設されることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
【請求項７】
前記電機子コイルが巻かれたコアの前記マグネットに相対する面が、前記マグネットの形状に対して補完的形状を有することを特徴とする請求１乃至６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、出力特性の調整が自在な回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電動モータまたは発電機として用いられる回転電機であって例えば電動モータにおいて、出力を調整可能にするためにステータとロータとを通過する磁束を変化させることができる回転電機があり、例えばロータを軸線方向に移動させてロータとステータとの間の互いに重なり合う面積を増減させるようにしたもの（例えば特許文献１参照）や、ロータとステータとの対向面間のギャップ（間隙）を調整するようにしたものがあった（例えば特許文献２参照）。また本件出願人により、上記の重なり合う面積の増減に加えて、コイルの巻回数を選択可能として磁束の変化をより大きくした回転電機が開示されている（特許文献３参照）。これらの回転電機は、ステータとロータとのいずれか一方に電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、他方にコアに対峙するようにマグネットが設けられる。
【０００３】
上記したような電動モータの内、ロータを軸線方向に移動させてロータとステータとの間の互いに重なり合う面積を増減させるようにしたものは、低速回転時には高トルクを得るために、ステータとロータ及びマグネットの対向面線を最大として、高速回転時には高トルクが必要ないこと及び高速回転を可能にすることから有効磁束を減少させる必要があり、ステータをロータから一部離脱させて相対する面積を小さくする。
【特許文献１】特開平５−３００７１２号公報
【特許文献２】特開２００４−８０８４７号公報
【特許文献３】特願２００６−２５６９５２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ロータ及びステータ（マグネット及び電機子コイルが巻かれたコア）を通過する有効磁束を減少させるために、ステータをロータから一部離脱させてロータ及びステータの相対する面積を小さくする方法では、ロータと相対しないステータの部分は機能を発揮しない部分となる。また、マグネットに相対するの電機子コイルが巻かれたコア内を通過する磁束の密度の分布が不均一となるため鉄損が大きくなる。その結果、モータの高速回転時の効率が悪くなるという課題がある。
【０００５】
本発明では、このような課題を解決してステータコアを通過する磁束を増減させることで出力を調整可能にした回転電機における高速回転時のモータ効率を改善することができる回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の回転電機は、ステータと、前記ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータと、前記ロータに対する前記ステータの前記ロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段とを有し、前記ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、他方に前記コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機であって、前記マグネットは表面磁束密度が異なる２以上のマグネット片を前記軸線方向に連続的に設けて形成されるようにする。
【０００７】
また、前記２以上のマグネット片は前記コアの前記マグネットに対する移動範囲の全範囲に渡って延在するようにすると良い。また、前記２以上のマグネット片は前記軸線方向で前記２以上のマグネットの磁極面と前記軸線との距離が階段状に変化するように配設されるようにしても良い。また、前記２以上のマグネット片は前記軸線方向で前記２以上のマグネットの磁極面と前記軸線との距離が連続的に変化するように配設されるようにしても良い。
【０００８】
また、本発明の回転電機は、ステータと、前記ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータと、前記ロータに対する前記ステータの前記ロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段とを有し、前記ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、他方に前記コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機であって、前記マグネットは、前記コアの前記マグネットに対する移動範囲の全範囲に渡って延在し、前記ステータの前記軸線方向での連続した位置変化により、前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記磁極面に対峙する対峙面との平均距離が変化するように配設されるようにする。
【０００９】
また、前記マグネットは前記軸線方向で前記マグネットの磁極面と前記軸線との距離が階段状に変化するように配設されるようにしても良い。更に、前記電機子コイルが巻かれたコアの前記マグネットに相対する面が、前記マグネットの形状に対して補完的形状を有するようにすると良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、表面磁束密度が異なる２以上のマグネットをロータの軸線に沿って配設することから、ステータを移動させることにより、電機子コイルが巻かれたコアがマグネットの磁束の影響を大きく受ける状態（低速回転時）と電機子コイルが巻かれたコアがマグネットの磁束の影響を小さく受ける状態（高速回転時）とを取り得ることでき、電機子コイルが巻かれたコアを通過する有効磁束を変化させることができる。
【００１１】
更に、前記２以上のマグネットを前記コアの前記マグネットに対する移動範囲の全範囲に渡って延在させるようにすることで、モータが高速回転時にも電機子コイルが巻かれたコアのマグネットに相対し得る面の全範囲がマグネットの磁極面に相対するため、マグネットの磁束に対する電機子コイルの有効導体はモータの低速及び高速回転時で一定に保たれる。またステータコア中を通過する磁束密度の分布の不均一化も従来のマグネットと相対しない電機子コイルが巻かれたコアの部分が生じる場合よりも小さくなる。そのため、ステータが移動して有効磁束が減少する高速回転時における鉄損が低減しモータ効率が向上する。
【００１２】
また、表面磁束密度が異なる２以上のマグネットをロータの軸線方向でマグネットの磁極面と前記軸線との距離が異なるように連続して又は階段形状をなして配設することで電機子コイルが巻かれたコアを通過する有効磁束を大きく変化させることができる。電機子コイルが巻かれたコアが軸線方向に移動させられて、表面磁束密度において異なるマグネットに相対することで、電機子コイルが巻かれたコアを通過する磁束が変化することに加え、電機子コイルが巻かれたコア及びマグネット間のエアギャップが変化することから有効磁束の変化量を大きくすることができる。
【００１３】
また、単一のマグネットで構成した場合でも、マグネットをロータの軸線方向でマグネットの磁極面と前記軸線との距離が異なるように連続して又は階段形状をなして配設することでマグネットの磁極面と磁極面と相対する電機子コイルが巻かれたコアとの間のエアギャップが、ステータの移動に伴い変化するため、同様に有効磁束を顕著に変化させることができる。
【００１４】
また、マグネットをロータの軸線方向でマグネットの磁極面と前記軸線との距離が異なるように連続して又は階段形状をなして配設する場合には、電機子コイルが巻かれたコアのマグネットの磁極面に相対するの面の形状をマグネットの磁極面と補完的形状をなすように形成することで、ステータが低速回転時に位置し、マグネットと電機子コイルが巻かれたコアの相対面積が最大となる場所での電機子コイルが巻かれたコア及びマグネットの間のエアギャップを小さくすることができ、ステータコアに作用する有効磁束を大きくすることができる。これにより低速回転時にはモータを高トルク特性とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜＜第１実施形態の構成＞＞
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電気自動車の駆動輪Ｗの例を示す模式的断面図である。図２は、第１実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。図において、車体１に固定支持軸２が突設かつ固定されており、その固定支持軸２には一対の軸受３ａ・３ｂを介してロータ４が回転自在に支持されている。ロータ４の外周部にはホイールを介して駆動輪Ｗが取り付けられている。
【００１６】
ロータ４は、支持軸２と同軸に大小径のボス部４ａ・４ｂが形成されており、両ボス部４ａ・４ｂ間の空間が車体１側に開放されている。大径ボス部４ｂの内周面には、周方向にＮ・Ｓ極を並べた複数のマグネット５が配設されている。また、両ボス部４ａ・４ｂによる空間に受容されるようにステータ６が設けられている。
【００１７】
ステータ６は、小径ボス部４ａ側に位置するようにされた環状部材８の外周面に固着されたステータコア６ａと、６ａに巻回された電機子コイル９とを一体に有する。このようにして構成されたステータ６と上記ロータ４とにより本発明が適用される回転電機としてのモータＭが構成される。
【００１８】
環状部材８は、車体１から突設固定され小径ボス４ａの外周に位置するガイド軸７によりスライド自在に支持されていると共に、車体１に取り付けられた例えばモータ駆動型のアクチュエータ１１の駆動軸１２の回転に伴う駆動軸１２と勘合された雌ネジ部１３の出没運動により支持軸２（ロータ４）の軸線方向に往復運動可能にされている。ステータ６がロータ４の開放する側と相反する側に位置する時は、モータＭは低速回転を行い、ロータ４の開放する側に移動する時は高速回転を行う。
【００１９】
大径ボス部４ｂ及びマグネット５はステータ６のロータ４の軸線に沿った移動範囲の全範囲に渡って延在するように設けられる。マグネット５は表面磁束密度の異なる２種のマグネットを含み、ロータ４の軸線Ａ方向でロータが開放する方向と相反する側に２種のマグネットの内で表面磁束密度の高いマグネット５ｂが配設される。
【００２０】
＜＜第１実施形態の作用効果＞＞
上記の構成とすることで、アクチュエータ１１を駆動することにより環状部材８すなわちステータ６はロータの軸線Ａに沿って両ボス部４ａ・４ｂ間の空間を、ステータコア６ａのマグネットの磁極面に対峙する対峙面６ｂが表面磁束密度が高いマグネット５ｂと相対し、マグネット５からステータコア６ａに作用する有効磁束が最大となる位置（図２中実線）から、ステータコア６ａのマグネットの磁極面に対峙する対峙面６ｂが表面磁束密度が低いマグネット５ｃと相対し、マグネット５からステータコア６ａに作用する有効磁束が最小となる位置（図２中２点鎖線）へと軸線Ａ方向でステータコア６ａの対峙面５ａとマグネット５の磁極面との相対する面が減少する方向Ｂへと移動することができる。また、マグネット５ｂの磁極面とステータコア６ａ対峙面６ｂの相対する面積が減少した位置から、軸線Ａ方向で方向Ｂと相反する方向Ｃへと移動することができる。
【００２１】
ステータ６の移動に伴って電機子コイル９が巻かれたステータコア６ａは表面磁束密度が異なるマグネットに相対することになるため、ステータコア６ａに作用する有効磁束が変化する。例えば、モータＭが低速回転時にはステータコア６ａは表面磁束密度が高いマグネットに相対し、モータＭは高トルク特性で回転する。このときにステータコア６ａのマグネット５の磁極面５ａと相対する面６ｂは、ステータコア６ａがいずれの位置にあっても相対する面６ｂが全範囲に渡ってマグネット５の磁極面５ａと相対することができ、電機子コイル９のマグネット５からの磁束の影響を受ける有効導体部分の体積は常に一定に保たれる。そのため、従来の方法であってステータコアにマグネットと相対しない部分が発生する可変界磁回転電機に比べて、ステータコア６ａが受ける磁束の密度の分布における不均一さが小さくなり、鉄損を低下させることができる。
【００２２】
＜＜第２実施形態の構成＞＞
以下、本発明の第２実施形態を、図面を参照しながら説明する。図３は、第２実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。第２実施形態の構成は前述した第１実施形態の構成と同様であるが、マグネット５においてのみ相違する。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。第２実施形態では、マグネット５は表面磁束密度の異なるｎ種のマグネット５ｎを含む。ロータ４が軸線Ａ方向でロータが開放する方向と相反する側にｎ種のマグネットの内で最も表面磁束密度の高いマグネットが配設される。そしてロータ４が軸線方向でロータが開放する方向に連れてマグネッ５トの表面磁束密度が連続して小さくなるように各マグネットが配設される。
＜＜第２実施形態の作用効果＞＞
第２実施形態の作用効果は第１実施形態と同様であるが、更にマグネットの表面磁束密度の変化を第１実施形態に比べて細かく規定することができるため、モータＭの出力特性をより細かく調整することができる。
【００２３】
＜＜第３実施形態の構成＞＞
以下、本発明の第３実施形態を、図面を参照しながら説明する。図４は、第３実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。第２実施形態の構成は前述した第１実施形態の構成と同様であるが、マグネット５においてのみ相違する。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。マグネット５は表面磁束密度及び軸線に沿った断面形状における厚みが異なる２種のマグネットを含む。ここでマグネット５の軸線Ａに沿った断面の厚みとは断面において軸線Ａの径方向の長さをいう。２種のマグネットの内で一方のマグネット５ｄは、他方のマグネットに比べて表面磁束密度が高く、厚みも厚い。表面磁束密度が高く、厚みが厚いマグネット５はロータ４の軸線方向でロータが開放する方向と相反する側に配設され、他方の表面磁束密度が低く、厚みが薄いマグネット５ｅはロータ４の軸線Ａ方向でロータ４が開放する側に配設される。また、第３実施形態では表面磁束密度が異なる２種のマグネット５ｄ・５ｅを使用したが、代わりに単一の種類の連続したマグネットをロータの軸線方向で段階的に厚さを変えて使用してもよい。
【００２４】
＜＜第３実施形態の作用効果＞＞
第１実施形態と同様に、ステータ６の移動に伴って電機子コイル９が巻かれたステータコア６ａは表面磁束密度が異なるマグネットに相対することになるため、ステータコア６ａに作用する有効磁束が変化する。加えてマグネット５の厚みを変化させて、マグネット５の磁極面５ａと軸線Ａとの距離が軸線方向で変化するようにすることで、ステータ６がマグネット５に対して移動するに従い、マグネット５の磁極面５ａとステータコア６ａのマグネット５に相対する面の間６ｂとの平均距離が変化し、エアギャップが変化する。そして、エアギャップが増加するとエアギャップの磁気抵抗が高いことからステータコア６ａに作用する有効磁束が変化する。マグネット５を構成する２つのマグネット５ｄ・５ｅの厚みと表面磁束密度とを調整することで、ステータ６の移動に伴うステータコア６ａに作用する磁束を第１実施形態に比べて更に大きく変化させることができる。またマグネット５を構成する２つのマグネット５ｄ・５ｅが同じ表面磁束密度を有するマグネットであって５ｄ・５ｅが連結した単一の部材であっても厚みが変化することにより、ステータ６の移動に伴ってステータコア６ａを通過する磁束を変化させることができる。またステータコア６ａは磁束を変化させるためにロータ４の軸線に沿って移動してもステータコア６ａの全範囲がマグネットに相対するため、電機子コイル９のマグネット５からの磁束の影響を受ける有効導体部分の体積が一定に保たれ、鉄損も小さく抑えることができる。
【００２５】
＜＜第４実施形態の構成＞＞
以下、本発明の第４実施形態を、図面を参照しながら説明する。図５は、第４実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。第４実施形態の構成は前述した第１実施形態の構成と同様であるが、マグネット５及びステータ６において相違する。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。マグネット５は単一のマグネットからなり、マグネット５の軸線Ａに沿った断面における厚みは、軸線Ａ方向でロータ４の開放する方向と相反する側から連続的に薄くなる。ステータコア６ａはロータ４の軸線Ａ方向でステータコア６ａがマグネット５から受ける磁束が最大となる状態の位置で、マグネット５の磁極面５ａとステータコア６ｂの平均距離が最小となるようにマグネット５の磁極面と補完的な形状をとる。
【００２６】
ここでマグネット５は、ロータ４の軸線Ａに沿った断面における厚みは、ロータ４の軸線に沿って階段状に薄くなるようにしても良い。また、マグネット５は表面磁束密度が異なる２以上のマグネットから構成しても良いが、その場合にはロータ４の軸線に沿って一方向にステータコア６ａに与える有効磁束が小さくなるように、表面磁束密度が高いマグネットをマグネットの厚みが厚い側に配設し、軸線Ａに沿ってマグネット５の厚みが薄くなる方向に連れて連続的にマグネットの表面磁束密度が減少するように配設する。
【００２７】
＜＜第４実施形態の作用効果＞＞
第３実施形態での効果と同様に、マグネット５の厚みを変化させることで、ステータコア６ａがマグネット５に対して移動することによりステータコア６ａ及びマグネット５の間の平均距離つまりエアギャップが変化し、ステータコア６ａを通過する有効磁束が変化させることができる。またステータコア６ａは磁束を変化させるためにロータ４の軸線に沿って移動してもステータコア６ａの全範囲がマグネット５に相対するため、電機子コイル９のマグネット５からの磁束の影響を受ける有効導体部分の体積が一定に保たれ、鉄損も小さく抑えることができる。
【００２８】
上記の実施形態は、本発明の回転電機の一例であり、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、実施形態ではステータはモータが低速回転時にはロータの軸線に沿って開放する方向と相反する側に位置し、モータの回転数が上昇するに伴いロータの軸線に沿って開放する方向移動するように構成しているが、逆にモータが低速回転時にはロータの軸線に沿って開放する側に位置し、モータの回転数が上昇するに伴いロータの軸線に沿って開放する方向と反対の方向へ移動するようにして、マグネットの配置も同様に逆にしてもよい。その他、本考案の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る可変界磁回転電機は、高速回転時でのモータ効率を向上させるこができ、電動モータや発電機として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電気自動車の駆動輪Ｗの例を示す模式的断面図である。
【図２】第１実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。
【図３】第２実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。
【図４】第３実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。
【図５】第４実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  車体
２  支持軸
３  軸受
４  ロータ
５  マグネット
６  ステータ
６ａ  ステータコア
８  環状部材
１１  アクチュエータ
１２  駆動軸
【図１】
2008148517.tif 000003
【図２】
2008148517.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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