(57)【要約】【課題】ステータとロータとの間に通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出力特性の可変範囲をより一層広くする。【解決手段】ステータ６に巻回する電機子コイルを互いに直列に接続された第１コイルＬｕ１（Ｌｖ１・Ｌｗ１）と第２コイルＬｕ２（Ｌｖ２・Ｌｗ２）とにより構成し、両者に電流を流す状態と一方のみに電流を流す状態との２状態を選択可能に２つの端子Ｕ１（Ｖ１・Ｗ１）・Ｕ２（Ｖ２・Ｗ２）を設ける。ステータの移動による磁束増減範囲に、巻回数の違いによる有効導体数増減範囲を併せることができ、回転電機における回転数、トルクの調整範囲をより一層広くすることができる。電動モータや発電機などの特性を大幅に向上でき、１台の適用範囲がひろくなるため、定格の異なるものを多種用意する必要がなくなり、生産性が向上する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、前記ロータに対して同軸に設けられたステータと、前記ロータと前記ステータとの間に通る磁束を増減させる磁束調整手段とを有する回転電機において、
前記磁束調整手段が、前記ロータに対する前記ステータの位置を変えるステータ移動手段を有しており、加えて前記ステータに巻回数を少なくとも２段階に選択可能に巻線された電機子コイルと、前記電機子コイルの巻回数を選択するためのコイル巻回数選択手段とを有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記ステータ移動手段が、前記ステータの前記ロータの磁極面に対する対向面を当該磁極面に対して軸線方向について略完全に重なる位置と当該軸線方向に所定量偏倚した位置との間で変位させるように前記ステータを移動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】
前記電機子コイルの同相のものが、前記ステータの同じティースに対して少なくとも２つに分けて巻回されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記電機子コイルの同相のものが、前記ステータの周方向に少なくとも２つに分けられた範囲毎に巻線されていることを特徴とする請求項１または請求項３のいずれかに記載の回転電機。
【請求項５】
前記範囲の１つが他の相における別の１つの範囲と隣り合わせになるように、前記電機子コイルの各相が巻線されていることを特徴とする請求項４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、ステータとロータとの対向面積を変化させることで出力を調整可能にしたものがあり、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・２参照）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３参照）。
【特許文献１】特開平５−３００７１２号公報
【特許文献２】特開平６−１４１４０１号公報
【特許文献３】特開２００４−８０８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記したような電動モータにあっては、ロータとステータとの対向面積の増減やギャップの増減だけで磁束を増減させるものであり、それによる出力特性の可変範囲は狭いという問題があった。また、回転電機としての発電機においても同様である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このような課題を解決して、ステータとロータとの間に通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出力特性の可変範囲をより一層広くすることを実現するために本発明に於いては、ロータと、前記ロータに対して同軸に設けられたステータと、前記ロータと前記ステータとの間に通る磁束を増減させる磁束調整手段とを有する回転電機において、前記磁束調整手段が、前記ロータに対する前記ステータの位置を変えるステータ移動手段を有しており、加えて前記ステータに巻回数を少なくとも２段階に選択可能に巻線された電機子コイルと、前記電機子コイルの巻回数を選択するためのコイル巻回数選択手段とを有するものとした。
【０００５】
特に、前記ステータ移動手段が、前記ステータの前記ロータの磁極面に対する対向面を当該磁極面に対して軸線方向について略完全に重なる位置と当該軸線方向に所定量偏倚した位置との間で変位させるように前記ステータを移動すると良い。また、前記電機子コイルの同相のものが、前記ステータの同じティースに対して少なくとも２つに分けて巻回されていること、あるいは、前記電機子コイルの同相のものが、前記ステータの周方向に少なくとも２つに分けられた範囲毎に巻線されていること、さらに、前記範囲の１つが他の相における別の１つの範囲と隣り合わせになるように、前記電機子コイルの各相が巻線されていると良い。
【発明の効果】
【０００６】
このように本発明によれば、ステータをロータに対して移動させて両者間に通る磁束を増減させると共に、ステータに巻線された電機子コイルの巻回数を少なくとも２段階に選択可能にしたことから、ステータの移動による磁束増減に、巻回数の違いによる有効導体数の変化を併せることができ、回転電機における回転数やトルクの調整範囲をより一層広くすることができる。電動モータや発電機などの特性を大幅に向上でき、１台の適用範囲がひろくなるため、定格の異なるものを多種用意する必要がなくなる。
【０００７】
特に、ステータのロータの磁極面に対する対向面をその磁極面に対して軸線方向に変位させることにより、ステータとロータとの間に磁束が通ることとなる対向面積をヨークの軸線方向変位に基づいて変化させることができ、制御が容易である。
【０００８】
また、電機子コイルの同相のものがステータの同じティース（１つのティース）に対して例えば２つに分けて巻回されることにより、２つに分けたコイルの間にタップを設けると共に選択接続器を介して接続することにより、選択接続器を接続状態にして２つのコイルに直列に電流を流す場合と、選択接続器を解除状態にしてタップを介して１方のコイルのみに電流を流す場合とに分けることができ、簡単な巻線構造で電機子コイルの有効導体数を容易に変化させることができる。
【０００９】
また、電機子コイルの同相のものがステータの周方向に少なくとも２つに分けられた範囲毎に巻線されていることであっても、上記と同様の効果を奏し得る。この場合には、さらに範囲の１つが他の相における別の１つの範囲に隣り合わせになるように巻線されていることにより、任意の相における範囲の１つに電流を流さない使用形態ではその範囲のティースに大きな鉄損が生じ得るが、他の相における別の１つの範囲に隣り合わせになるよう巻線されていることにより、任意の相の電流が流れない場合でも他の相の電流が流れて、その範囲に他の相による磁束が生じるため、上記ティースにおける鉄損を低減する事が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例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。
【００１１】
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４ａの内周面には、図２に示されるように周方向に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。
【００１２】
ステータ６は、小径ボス部４ｂ側に位置するようにされた環状部材７の外周面に固着されたステータコア８と、その複数のティース８ａに巻回された電機子コイル９とを一体的に有する。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が構成されている。
【００１３】
環状部材７は、車体１にロータ４に向けて突設固定されたガイド軸１１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１２の駆動軸１２ａの出没運動により支持軸２（ロータ４）の軸線方向に往復動可能にされている。
【００１４】
これにより、アクチュエータ１２を駆動することにより環状部材７すなわちステータ６が両ボス部４ａ・４ｂ間の空間に出入りする。ステータ６の出入り方向はロータ４の軸線方向であり、その変位量は、マグネット５の磁極面５ａに対して、図１に示されるように磁極面５ａに対向するステータ６の対向面（ティース８ａの突出端面）６ａがロータ４の軸線方向について完全に重なる位置と、図の二点鎖線で示されるように完全外れた位置との２位置間であって良い。なお、完全に重なる位置からの変位量にあっては、図示例の完全に外れた位置までとすることに限られず、任意の所定量偏倚した位置であって良く、例えば完全に外れた位置までの変位量を１００％とした場合に約５０％とすることができる。なお、５０％の位置の場合には磁極面５ａと対向面６ａとのロータ軸線方向についての重なり量が半分となる。
【００１５】
次に、本発明に基づく制御要領について、図３のブロック回路図を参照して示す。なお、図示例のモータＭにあっては３相のブラシレスモータと同様のものであって良い。
【００１６】
図示例では、電源としての車載バッテリＢＴにトランジスタブリッジ回路を構成するインバータ２１が接続されており、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相に対応する３本の出力線がコイル巻回数選択手段としての各相別のリレーＲＬｕ・ＲＬｖ・ＲＬｗを介してモータＭに接続されている。
【００１７】
図示例のモータＭにあっては、電機子コイル９が相毎に第１の巻回数と第２の巻回数とに分けて巻回されており、各相はスター結線されている。各ティース８ａに対する巻回状態を図２に示す。なお、図２は説明上Ｕ相のみ全周に渡って巻線状態を示しているが、Ｖ相・Ｗ相についてもＵ・Ｖ・Ｗの並びに合わせて巻線されている。したがって、以下の説明において、特に断らない限りＵ相について示し、他の相も同様（添字の違いで示す）として説明を省略する。
【００１８】
図１及び図２に示されるように、外部接続用の第１端子Ｕ１に第１コイルＬｕ１が接続れ、その第１コイルＬｕ１と中性点端子Ｃとの間に直列に第２コイルＬｕ２が接続されていると共に、両コイルＬｕ１・Ｌｕ２のノードが外部接続用の第２端子Ｕ２として引き出されている。各端子Ｕ１・Ｕ２はリレーＲＬｕの２位置選択接点であって良く、リレーＲＬｕの励磁／非励磁に応じていずれか一方がインバータ２１と接続される。第１端子Ｕ１が接続されている場合には両コイルＬｕ１・Ｌｕ２に電流が流れ、第２端子Ｕ２が接続されている場合には第２コイルＬｕ２のみに電流が流れるようになっている。
【００１９】
電機子コイル９を相毎に第１の巻回数と第２の巻回数とに分けて巻回する巻線方法にあっては種々考えられ、図２はその第１の例である。図２では、１つのティース８ａに第１の巻回数で第１コイルＬｕ１が巻回されかつ第２の巻回数で第２コイルＬｕ２が巻回されている。巻き方としてはティース８ａの突出方向に積み重ねるようにしたり、内側と外側とに二重に巻いたりすることができ、特に巻き方を限定するものではない。
【００２０】
図２において、各相に対応して設けられた各リレーＲＬｕ・ＲＬｖ・ＲＬｗの各コイルの電源側はバッテリＢＴの正端子に接続されているが、接地側はトランジスタＱ１を介して接地されるようになっている。そのトランジスタＱ１は、制御回路ＥＣＵの制御出力によりオン・オフする。なお、バッテリＢＴの正側ラインに電流検出センサ２２が設けられ、モータＭにはロータ４の回転速度（角度）を検出する回転速度（角度）センサ２３が設けられており、電流検出信号が制御回路ＥＣＵの電流検出回路２４に入力し、回転速度（角度）信号が制御回路ＥＣＵの回転速度検出回路２５に入力するようになっている。
【００２１】
なお、制御回路ＥＣＵ内には、それら検出信号に応じてモータＭをＰＷＭ制御するＰＷＭ信号をインバータ２１に出力する制御を行うために必要な各回路が図に示されるように設けられている。それらの回路を用いたＰＷＭ制御における公知の制御方法であって良く、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。
【００２２】
運転操作入力回路２６には例えば車両のアクセルペダルの踏み込み量に応じた信号が入力し、それに応じたデューティを制御目標値として良い。また、ステータ位置制御回路２７にてステータ６の設定位置を算出し、それに応じた位置制御信号が位置駆動回路２８からアクチュエータ１２に出力され、アクチュエータ１２によりステータ６を駆動しかつ上記設定位置で停止状態にする。これにより、上記したように磁極面５ａと対向面６ａとの重なり量（互いに対向する部分の面積；以下、対向面積と称する）が増減し、対向面積を通ることになる磁束が増減するため、モータＭの特性を、対向面積を大きくした場合には低回転・高トルク型とし、対向面積を小さくした場合には高回転・低トルク型とすることができる。
【００２３】
さらに、リレーＲＬｕ・ＲＬｖ・ＲＬｗを選択的に励磁・非励磁とすることにより、両コイルＬｕ１・Ｌｕ２の両方または一方Ｌｕ２のみに電流を流す２状態に切り換えることができる。両コイルＬｕ１・Ｌｕ２に電流を流す状態を選択した場合には高トルク・低回転速度型のモータ特性となり、一方Ｌｕ２のみに電流を流す状態を選択した場合には低トルク・高回転速度型のモータ特性となる。
【００２４】
その切り換え制御は、制御回路ＥＣＵ内のコイル結線切換回路２９からの切り換え信号を図示例では遅延回路３０を介してトランジスタＱ１をオン・オフ制御して行うようにしている。なお、コイル結線切換回路２９にあっては、外部の切換スイッチからのスイッチ信号に応じて切り換え信号を出力するものであって良いが、デューティ及び回転速度などを用いたマップ制御に応じて切り換え信号を出力するようにしても良い。
【００２５】
このコイル結線切り換え制御を上記対向面積の増減制御と組み合わせることにより、より一層広範囲な回転速度及びトルクの可変特性とすることができる。特に、電動自動車のように種々の外的条件が時々刻々と変化するような場合に、常にモータの最大特性を生かした制御を行うことができ、効率の良い制御となり、同じ容量のバッテリＢＴに対しては１回の充電走行距離が伸び、バッテリＢＴの小型化にも寄与し得る。
【００２６】
なお、コイル結線切り換え制御と対向面積の増減制御とを共に高トルク型にすることにより、いずれか一方の制御を行うだけのものに対してより一層高トルク型モータとすることができ、発進時の高トルク化が可能となる。したがって、最大トルクを同じに設計する場合にはモータの小型化が可能になり、それに伴って車両の軽量化が促進され、モータの小型化と併せて高回転速度化が可能になる。
【００２７】
次に、電機子コイル９の巻線方法の第２の例を上記図２に対応する図４に示す。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。この第２の例にあっては、第２コイルＬｕ２（Ｌｖ２・Ｌｗ２）をステータ６の周方向について第１の範囲Ａに巻回し、第１のコイルＬｕ１（Ｌｖ１・Ｌｗ１）を残りの範囲となる第２の範囲Ｂに巻回している。このようにしても、上記と同様の効果を奏し得る。
【００２８】
また、電機子コイル９の巻線方法の第３の例を上記図４に対応する図５に示す。この場合も、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。この第３の例にあっては、各相については上記第２の例と同じに巻回しているが、各相の端子Ｕ１（Ｖ１・Ｗ１）・Ｕ２（Ｖ２・Ｗ２）・各中性点Ｃをステータ６の周方向に等分（図示例では１２０度ピッチ）した位置から引き出すようにしている。このようにすることにより、第２コイルＬｕ２・Ｌｖ２・Ｌｗ２のみに電流を流す場合に、休んでいる第１コイルＬｕ１・Ｌｖ１・Ｌｗ１が巻回されている各ティースが補極として作用して磁束が通るため、出力特性を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明にかかる回転電機は、回転速度・トルクの可変範囲を大幅に広くすることができ、電動モータや発電機等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】電動自動車の駆動輪Ｗに適用された例を示す模式的断面図である。
【図２】ステータへの巻線方法の第１の例を示す説明図である。
【図３】制御要領を示す回路ブロック図である。
【図４】巻線方法の第２の例を示す説明図である。
【図５】巻線方法の第３の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
４  ロータ
５  マグネット
６  ステータ
８ａ  ティース
９  電機子コイル
１２  アクチュエータ
Ｌｕ１・Ｌｖ１・Ｌｗ１  第１コイル
Ｌｕ２・Ｌｖ２・Ｌｗ２  第２コイル
ＲＬｕ・ＲＬｖ・ＲＬｗ  リレー
【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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