(57)【要約】【課題】回転電機用ロータにおいて、簡単な構造、少ない部品点数、磁束を短絡させる部材の小さな移動距離で、弱め界磁効果を得ることである。【解決手段】回転電機用ロータは、回転可能なロータコア１０と；ロータコアにあけた複数の磁石挿入孔１３内にそれぞれ挿入された複数の永久磁石２０と；ロータコアの隣接する磁石挿入孔間にあけた複数のフラックスバリヤ１５内にそれぞれ配置され、隣接する永久磁石の一方の第１極から他方の第２極への磁束の通路を形成する磁束短絡部材２５と；を含む。磁束短絡部材は、少なくとも一部２２が超磁歪材料から成る。ロータが高速で回転するとき、低速で回転するときよりも超磁歪材料２２の透磁率を向上させ、第１極から第２極への短絡磁束を増加させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能なロータコアと、
前記ロータコアにあけた複数の磁石挿入孔内にそれぞれ挿入された複数の永久磁石と、
前記ロータコアの隣接する前記磁石挿入孔間にあけた複数のフラックスバリヤ内にそれぞれ配置され、隣接する前記永久磁石の一方の第１極と他方の第２極との磁束を短絡させる磁束短絡部材と、を含むロータであって、
前記磁束短絡部材の少なくとも一部が、前記ロータの高速回転時は低速回転時よりも透磁率が大きくなる透磁率変化材料から成ることを特徴とする回転電機用ロータ。
【請求項２】
前記透磁率変化材料は超磁歪材料であり、前記ロータの高速回転時は前記磁束短絡部材への加圧力を減少させる請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記磁束短絡部材に超磁歪ワイヤが一体化されている請求項２に記載のロータ。
【請求項４】
前記磁束短絡部材は前記フラックスバリヤ内で半径方向内向きに付勢され、前記ロータの高速回転時は遠心力により付勢力が減少する請求項３に記載のロータ。
【請求項５】
回転可能なロータコアと、
前記ロータコアにあけた複数の磁石挿入孔内にそれぞれ挿入された複数の永久磁石と、
前記ロータコアの端面で、隣接する前記磁石挿入孔間にあけた複数のフラックスバリヤにわたってそれぞれ配置され、隣接する前記永久磁石の一方の第１極と他方の第２極との磁束を短絡させる磁束短絡部材と、を含むロータであって、
前記磁束短絡部材の少なくとも一部が、前記ロータの高速回転時は低速回転時よりも透磁率が大きくなる透磁率変化材料から成ることを特徴とする回転電機用ロータ。
【請求項６】
前記透磁率変化材料は超磁歪材料であり、前記ロータの高速回転時は前記磁束短絡部材への加圧力を減少させる請求項５に記載のロータ。
【請求項７】
前記磁束短絡部材全体が超磁歪材料から成る請求項６に記載のロータ。
【請求項８】
前記磁束短絡部材は、前記ロータの回転数の増加に応じて減少する加圧力を発生させる加圧機構により、前記ロータコアの端面に加圧されている請求項７に記載のロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機用ロータ（回転子）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等で使用される電動機／発電機は、外部から電流を供給してロータを回転させて電動機として使用したり、外力でロータを回転させステータに電流を発生させて発電機として使用する。電動機として使用する場合、高速で回転し且つ効率の良いことが要求される。例えば、永久磁石を使用したブラシレスＤＣモータの最高回転数は電圧に比例しトルク定数（巻線数×界磁の強さ）に反比例する。よって、トルク定数をロータの回転数に応じて小さくすれば、最高回転数を上げることができる（弱め界磁）。
【０００３】
従来のロータ（特許文献１参照）は、図８及び図９に示すように、ロータ本体２００に形成された複数の磁石挿入孔２０２のそれぞれに永久磁石２１０を埋め込み、隣接する磁石挿入孔２０２間で半径方向に延びたスリット２０４に磁束通路部材２１２を半径方向に移動可能に配置している。ロータ本体２００が低速で回転するとき磁束通路部材２１２はスリット２０４の半径方向で内周寄りに位置し、スリット２０４の存在により磁束は隣接する永久磁石２１０間を流れない。ロータ本体２００の回転が高速になると、磁束通路部材２１２がスリット２０４を半径方向で外寄りに移動し、隣接する永久磁石２１０間を磁束が流れて弱め界磁効果が現れる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２７５７８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例は、以下の点で改良の余地があった。先ず、磁束通路部材２１２をスリット２０４内で半径方向に移動させるための構造が複雑で、多くの部品が必要である。回転軸２１１に遊嵌した環状の移動部材２１３、この移動部材２１３と磁束通路部材２１２とを連結するアーム部材２１４、回転軸２１１に固定したバネ支持部材２１６、及びこのバネ支持部材２１６と移動部材２１３との間に配置されたバネ２１７とを含む。これは、磁束通路部材２１２を機械的に移動させていることに起因する。
【０００６】
また、移動部材２１３及びアーム部材２１４等の寸法が大きい。これは、ロータ本体２００の体側回転時は磁束通路部材２１２を永久磁石２０２間に移動させ、高速回転になると永久磁石２１０から離していることに起因する。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造及び少ない部品点数で、しかも磁束短絡部材を実質的に移動させることなく弱め界磁効果を得ることができ、高速で回転できる回転電機用ロータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、磁束短絡部材の短絡磁束を電気的に変化させることを思い付いて、本発明を完成した。
【０００９】
本願の第１発明による回転電機用ロータは請求項１に記載したように、回転可能なロータコアと；ロータコアにあけた複数の磁石挿入孔内にそれぞれ挿入された複数の永久磁石と；ロータコアの隣接する磁石挿入孔間にあけた複数のフラックスバリヤ内にそれぞれ配置され、隣接する永久磁石の一方の第１極と他方の第２極との磁束を短絡させる磁束短絡部材と；を含むロータであって、磁束短絡部材の少なくとも一部が、ロータの高速回転時は低速回転時よりも透磁率が大きくなる透磁率変化材料から成ることを特徴とする。このロータにおいて、ロータの高速回転時は透磁率変化材料の透磁率が向上し、それによって第１極から第２極への短絡磁束が増加する。
【００１０】
請求項２のロータは、請求項１において、透磁率変化材料は超磁歪材料であり、ロータの高速回転時は磁束短絡部材への加圧力を減少させる。請求項３のロータは、請求項２において、磁束短絡部材に超磁歪ワイヤが一体化されている。請求項４のロータは、請求項３において、磁束短絡部材はフラックスバリヤ内で半径方向内向きに付勢されロータの高速回転時は遠心力により付勢力が減少する。
【００１１】
第２発明による回転電機用ロータは、請求項５に記載したように、回転可能なロータコアと；ロータコアにあけた複数の磁石挿入孔内にそれぞれ挿入された複数の永久磁石と；ロータコアの端面で、隣接する磁石挿入孔間にあけた複数のフラックスバリヤにわたってそれぞれ配置され、隣接する永久磁石の一方の第１極と他方の第２極との磁束を短絡させる磁束短絡部材と；を含むロータであって、磁束短絡部材の少なくとも一部が、ロータの高速回転時は低速回転時よりも透磁率が大きくなる透磁率変化材料から成ることを特徴とする。このロータにおいて、ロータの高速回転時は透磁率変化材料の透磁率が向上し、それによって第１極から第２極への短絡磁束が増加する。
【００１２】
請求項６のロータは、請求項５において、透磁率変化材料は超磁歪材料であり、ロータの高速回転時は磁束短絡部材への加圧力を減少させる。請求項７のロータは、請求項６において、磁束短絡部材全体が超磁歪材料から成る。請求項８のロータは、請求項７において、磁束短絡部材は、ロータの回転数の増加に応じて減少する加圧力を発生させる加圧機構により、ロータコアの端面に加圧されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜回転電機、ステータ＞
回転電機（電動機／発電機）はコイルを持つステータと永久磁石を内蔵したロータとを含む。電源からステータに電流が供給されたときはロータが回転して電動機として機能し、外力によりロータが回転されるとステータに電流が発生して発電機として機能する。
＜ロータ＞
▲１▼ロータは少なくともロータコア、永久磁石、及び少なくともその一部が透磁率変化材料から成る磁束短絡部材とを含む。ロータコアは複数の円周方向に隔設された磁石挿入孔と、隣接する磁石挿入孔間に形成された複数のフラックスバリヤとを有する。磁石挿入孔に挿入された磁石は一つおきにＮ極とＳ極とが反対になっている。
▲２▼フラックスバリヤと磁束短絡部材との関係は２つのタイプに分類できる。第１タイプではフラックスバリヤ内に磁束短絡部材が収容され、第２タイプではロータコアの端面でフラックスバリヤにまたがって磁束短絡部材が配置されている。
▲３▼少なくとも一部に透磁率変化部材を含む磁束短絡部材は２つのタイプがある。磁束短絡部材に小さな透磁率変化部材から成る線材や板片が一体化されても良いし（ａタイプ）、磁束短絡部材全体が透磁率変化部材から成っても良い（ｂタイプ）。ａタイプの透磁率変化線材や透磁率変化板片は、磁束短絡部材と永久磁石との間に介在され、ｂタイプでは磁束短絡部材（即ち超磁歪部材）が隣接する永久磁石間に配置される。
【００１４】
なお、代表的な透磁率変化部材は超磁歪材料である。「超磁歪材料」は磁気モーメントの大きいランタノイド元素Ｒと、鉄属元素Ｔ（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等）とで構成される、ラーベス型の立方晶（ＲＴ２）である。外力又は外部応力により生ずる磁化率変化（ビラリ効果）が大きい特徴がある。具体的には、Ｔｂを主原料とした超磁歪材料は正のビラリ効果を示し、超磁歪素子を圧縮すると透磁率は減少し、引っ張ると増加する。本発明は、この超磁歪材料のビラリ効果を利用する。
▲４▼磁束短絡部材は圧力が付与される加圧状態と、圧力が付与されない又は付与される圧力が小さい開放状態とに置かれる。加圧状態及び開放状態を実現する構造に２つのタイプに分類できる。Ａタイプでは、加圧状態はバネの付勢力を利用し、開放状態はロータの回転に伴う遠心力を利用する。Ｂタイプでは、電磁力をオフ（消磁）してバネで磁束短絡部材を加圧し電磁力のオン（励磁）で開放する。
【００１５】
なお、上記第１及び第２タイプ、ａ及びｂタイプ、Ａ及びＢタイプは任意に組み合わせることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施例＞
（構成）
図１に示すロータは、ロータコア１０、複数の永久磁石２０、複数の磁束短絡部材２５及び超磁歪線材２２等を含む。このうち、全体的に円柱形状のロータコア１０は回転軸が挿入される中心孔１１の回りに円周方向に延びる複数（８つ）の磁石挿入孔１３が円周方向で隔設されている。各磁石挿入孔１１は円周方向に細長い横断面矩形状を持ち、ロータコア１０を軸方向に貫通している。
【００１７】
各磁石挿入孔１３に挿入された永久磁石２０は薄い板形状を持ち、１つおきに４つの永久磁石２０は外面がＮ極、内面がＳ極であり、残りの４つの永久磁石２０は外面がＳ極、内面がＮ極となっている。隣接する磁石挿入孔１３間にフラックスバリヤ１５が形成されている。各フラックスバリヤ１５は横断面矩形状で、ロータコア１０を軸方向に貫通している。磁石挿入孔１３とフラックスバリヤ１５との間には円周方向に延び一定間隔で対向する一対の突出部１７が形成されている。
【００１８】
フラックスバリヤ１５内には超磁歪線材２２を介して磁束短絡部材２５が配置されている。磁束短絡部材２５は磁性材料から成り、横断面矩形状を持ち、その幅は突出部１７間の間隔よりも大きい。また、フラックスバリヤ１５の高さの数分の一の高さ、及びフラックスバリヤ１５と同じ長さを持つ。ワイヤ状の超磁歪線材２２は磁束短絡部材２５等と同じ長さを持ちこれに接合され、突出部１７の表面（上面）と磁束短絡部材２５の下面との間に介在されている。
【００１９】
磁束短絡部材２５の上面にはこれと同じ軸方向長さを持つウエート３０が固着され、その上面とブリッジ１６との間に圧縮バネ３２が配置されている。これにより、磁束短絡部材２５を介して超磁歪線材２２は突出部１７に向かって付勢されている。
（作用効果）
ロータ１０はステータ（不図示）からの回転磁界に同期して回転する。ロータ１０の回転数が所定値以下の場合フラックスバリヤ１５内の超磁歪線材２２は圧縮バネに３２より突出部１７に加圧されている。この状態では超磁歪線材２２はビラリ効果により透磁率が低いため、ある永久磁石２０の外面のＮ極とその隣の永久磁石２０の外面のＳ極との間に短絡磁束は発生していない。よって、永久磁石２０間の磁束はステータを通して流れる。
【００２０】
一方、ロータ１０の回転数が所定値以上になると、ウエート３０と磁束短絡部材２５とにかかる遠心力より、圧縮バネ３２による超磁歪線材２２の突出部１７への加圧力が低下する。
【００２１】
ビラリ効果により超磁歪線材２２の透磁率が高くなる。また、図２に示すように、超磁歪線材２２のインダクタンスは、その圧力が上昇するにつれて、次第に減少する。その結果、超磁歪線材２２及び磁束短絡部材２５により磁束短絡経路が形成され、隣接する永久磁石２０の磁束の一部がこの磁束短絡経路を通って流れる。短絡磁束により鎖交する磁束が減少するため、ステータコイルに発生する逆起電力が減少する。
【００２２】
図３に直線ｘで示すように、固定式ロータでは、その回転数が増加するにつれて逆起電圧も増加する。これに対して、実施例のロータによれば、曲線ｙで示すように、回転数が高速になると、低速回転時と比較して、逆起電力の上昇程度が小さくなる。これにより、電流を流すことなく弱め界磁効果が得られ、高速回転域での効率が上昇する。
【００２３】
しかも、超磁歪線材２２が一体化された磁束短絡部材２５をフラックスバリヤ１５内に収納しているのみで、半径方向に移動しない。よって、部品点数が少なく、構造が簡単である。
＜変形例＞
図４に示す第１実施例の変形例では、磁束短絡部材４０全体が超磁歪材料から成り、圧縮バネ３２で突出部１７に付勢されている。また、上記ウエート３０は固定されていない。この変形例によれば磁束短絡部材４０の部品点数が少なく、構造が簡単になる。
＜第２実施例＞
（構成）
図５、図６及び図７に第２実施例を示す。この実施例は第１実施例と比較して、超磁歪部材及びその配置方法が異なる。アルミダイカストから成るモータフレーム５０の周壁部５１に円筒状のステータ５５が固定されている。ステータ５５は多数の電磁鋼板を重ねて成り、周壁部５１の内周面に焼嵌めされている。ステータ５５はステータコア５６と、これに巻回されたステータコイル５７とから成る。
【００２４】
モータフレーム５０の左右一対の端壁部５２ａ，５２ｂに軸受を介して回転可能に支持された回転軸に円柱状のロータ６０が固定されている。ロータ６０はロータコア６１と、永久磁石６３と、超磁歪板片６５とを含む。モータフレーム５０の端壁５２ａにより支持された回転軸５８上にロータコア６１が固定され、ロータコア６１にあけた複数の磁石挿入孔６２に永久磁石６３が挿入されている。
【００２５】
図６から分かるように、ロータコア６１の端面にはフラックスバリヤ６６の半径方向中間部に円周方向で複数のフラックスバリヤ６６のそれぞれをまたがるように複数の超磁歪板片６５が配置されている。各超磁歪板片６５は薄板矩形状で、高さはフラックスバリヤ６６の高さの数分の一、幅はフラックスバリヤ６６の幅の２倍程度である。
【００２６】
回転軸５８上には、ロータ６０と並んで、超磁歪板片６５を加圧する加圧機構９０が配置されている。図５から分かるように、加圧機構９０はリニヤソレノイド７０と小型発電機８０とを含む。
【００２７】
リニヤソレノイド７０は連結部材７１、ヨーク７５及び整流回路７６を含む。連結部材は円筒状のプランジャ部７２と、これから延びた複数のリテーナバー７３とを含む。プランジャ部７２は回転軸５８に対して軸方向に相対移動可能で、円周方向に相対回転不能に取り付けられている。超磁歪板片６５と同数のリテーナバー７３がプランジャ部７２と超磁歪板片６５とを連結している。プランジャ部７２の外周側に配置されたヨーク７５と、更にその外周側に配置された整流回路７６とが二相線７７により接続されている。
【００２８】
小型発電機８０は、小型ステータ８１及び小型ロータ８４等を含む。上記モータフレーム５０に固定され非磁性材料から成る円筒状のケース８２の内周面にコイル８３が挿入された小型ステータ８１が固定されている。小型ロータ８４は回転軸５８に固定され、わずかな隙間で小型ステータ８１と対向する小型永久磁石８５を含む。リニヤソレノイド７０は、小型発電機８０との間に配置された圧縮バネに９１より、ロータ６０に向かって付勢されている。また、小型ステータ８１のコイル８３と整流回路７６とが三相線９２で接続されている。
（作用効果）
ステータ５５からの回転磁界に同期してロータ６０が回転する。ロータ６０の回転により回転軸５８に固定された小型ロータ８４も回転し、その永久磁石のＮ極及びＳ極の磁束が小型ステータ８１のコイル８３に交番して鎖交する。その結果、コイルから三相電流が発生し、整流回路７６により直流電流に整流され、ヨーク７５の巻線に印加される。
【００２９】
小型ロータ８４の回転開始時リニヤソレノイド７０は作用せず、圧縮バネ９１の作用によりリテーナタバー７３が超磁歪板片６５を加圧する。このとき超磁歪板片６５は透磁率が低い状態にあり、ロータ６０の隣接する永久磁石６３間の磁束はフラックスバリヤ６６を通過しない。
【００３０】
一方、ロータ６０の回転数が高くなるにつれて小型発電機８０の発電量が増加し、リニヤソレノイド７０は圧縮バネ９１の付勢力に抗してプランジャ部７２を小型発電機８０の方向に引き込む。リテーナバー７３への圧力が小さくなり、超磁歪板片６５は透磁率が高い状態になる。ロータ６０の隣接する永久磁石６３間の磁束が、フラックスバリヤ６６上に橋架けされた超磁歪板片６５を通過して短絡する。こうして、永久磁石６３の短絡磁束が増加し、鎖交する磁束が減少してステータコイル５７に発生する逆起電力が低減する。
【００３１】
この実施例によれば、ロータコア６１の端面に加圧した磁束短絡部材６５により、上記磁束短絡部材２５と同様の弱め界磁効果を得ることができる。ロータの構成によっては、磁束短絡部材のフラックスバリヤ内への収納が困難又は不可能の場合もある。この実施例はそのような場合に特に有効である。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べてきたように、第１発明の回転電機用ロータによれば、一部が透磁率変化材料から成る磁束短絡部材を、ロータコアのフラックスバリヤ内に収納したことにより、ロータの高速回転時は透磁率変化材料の透磁率が向上し、ある永久磁石の第１極から隣接する永久磁石の第２極への短絡磁束が増加する。こうして、高速回転時弱め界磁効果が得られる。
【００３３】
請求項２及び６のロータによれば、入手容易な超磁歪材料への加圧力を変更するのみで、ビラリ効果により透磁率が変化する。請求項３のロータによれば、超磁歪材料の使用量を少なくできる。請求項４のロータによれば、加圧力の減少に遠心力を使用するので、専用の減圧手段が不要となる。
【００３４】
また、第２発明の回転電機用ロータによれば、一部が透磁率変化材料から成る磁束短絡部材を、ロータコアの端面に加圧したことにより、ロータの高速回転時は透磁率変化材料の透磁率が向上し、ある永久磁石の第１極から隣接する永久磁石の第２極への短絡磁束が増加する。こうして、高速回転時弱め界磁効果が得られる。
【００３５】
請求項７のロータによれば、磁束短絡部材の部品点数が減少し、構成が簡単になる。請求項８のロータによれば、ロータコアの端面に磁束短絡部材を配置した場合でも、ロータの側方に配置した加圧機構により加圧力を調整できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す横断面図である。
【図２】第１実施例の作用効果を示す説明図である。
【図３】第１実施例の作用効果を示す説明図である
【図４】第１実施例の変形例を示す要部説明図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す縦断面図である。
【図６】図５における６−６断面図である。
【図７】図５における７−７断面図である。
【図８】従来例の横断面図である。
【図９】同じく縦断面図である。
【符号の説明】
１０：ロータ                      １３：磁石挿入孔
１５：フラックスバリヤ              １７：突出部
２０：永久磁石                    ２２：超磁歪線材
２５：磁束短絡部材                ３０：ウエート
３２：圧縮バネ
【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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