(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性の異なる複数の永久磁石が周方向に沿って交互に配設された一対の回転子を回転軸の周囲に同心円状に備え、一方の回転子を他方の回転子に対して回動させて両回転子間の相対的な位相を変更する回動手段を備える電動機であって、両回転子間の相対的な位相が変更されるとき、一方の回転子の永久磁石と他方の回転子の永久磁石との磁力の相互作用による回転トルクが両回転子間に発生するものにおいて、
回動手段により一方の回転子が回動されるとき、両回転子間の相対的な回動範囲のうち、両回転子間の相対的な位相が前記回動範囲の一部である所定角以上となる範囲で該回転子を位相の変更方向と反対方向に付勢する付勢手段が設けられ、
前記回動手段により両回転子間の位相が変更され、一方の回転子の永久磁石と他方の回転子の永久磁石との間で第１の回転トルクが発生するとき、前記付勢手段は、両回転子間の相対的な位相が所定角以上となる範囲で減少する第１の回転トルクに、付勢力による第２の回転トルクを付加することを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記回動手段は、一方の回転子の永久磁石が他方の回転子の永久磁石の異極に対向する状態から同極に対向する状態となるように一方の回転子を回動させることを特徴とする請求項１記載の電動機。
【請求項３】
前記両回転子間に摩擦抵抗を付与して両回転子間の相対的な位相を保持する摩擦抵抗付与手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子に永久磁石を備えて永久磁石の界磁特性を変更可能な電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、永久磁石を備える外周側回転子と永久磁石を備える内周側回転子とが同心円状に配設され、外周側回転子と内周側回転子との何れか一方を他方に対して周方向に回動させることにより外周側回転子と内周側回転子との相対的な位相を変更する電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この電動機では、電動機の回転速度に応じて両回転子における相対的な位相を変更する場合には、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材によって、外周側回転子と内周側回転子との何れか一方を他方に対して周方向に回動させる。また、固定子に発生する回転磁界の速度に応じて両回転子における相対的な位相を変更する場合には、各回転子が慣性により回転速度を維持する状態で固定子巻線に制御電流を通電して回転磁界速度を変更することによって、外周側回転子及び内周側回転子の周方向の相対位置を変更する。
【０００４】
そして、外周側回転子と内周側回転子との相対的な位相を変更することにより、電動機の特性（誘起電圧／回転数の比）を可変とすることができる。即ち、具体的には、外周側回転子の永久磁石と内周側回転子の永久磁石とを互いに異極同士で対向（同極配置）させると、界磁が強め状態（強め界磁位相）となって誘起電圧が大となる。それとは逆に、外周側回転子の永久磁石と内周側回転子の永久磁石とを互いに同極同士で対向（対極配置）させると、界磁が弱め状態（弱め界磁位相）となって誘起電圧が小となる。
【特許文献１】特開２００２−２０４５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種の電動機においては、何れか一方の回転子を他方の回転子に対して周方向に回動させて、例えば、強め界磁位相から弱め界磁位相に変更させようとすると、両回転子の永久磁石の相互作用により、両回転子間のトルクが一旦増加した後、弱め界磁位相に近づくと減少する。
【０００６】
このため、両回転子間の位相角の増加とトルクの増加との関係が対応せず、アクチュエータ等の回動手段を制御して位相を変更させようとしても、同一のトルクを示す位相角がトルク増加時とトルク減少時とで２箇所存在するため、アクチュエータ等の回動手段による位相角の制御が困難となる不都合がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、何れか一方の回転子を他方の回転子に対して周方向に回動させたときに、両回転子間のトルクを一定に増加させることができ、両回転子の相対的な位相を回動手段により変更する際に両回転子間の位相角を容易に制御することができる電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するために、本発明は、極性の異なる複数の永久磁石が周方向に沿って交互に配設された一対の回転子を回転軸の周囲に同心円状に備え、一方の回転子を他方の回転子に対して回動させて両回転子間の相対的な位相を変更する回動手段を備える電動機であって、両回転子間の相対的な位相が変更されるとき、一方の回転子の永久磁石と他方の回転子の永久磁石との磁力の相互作用による回転トルクが両回転子間に発生するものにおいて、回動手段により一方の回転子が回動されるとき、両回転子間の相対的な回動範囲のうち、両回転子間の相対的な位相が前記回動範囲の一部である所定角以上となる範囲で該回転子を位相の変更方向と反対方向に付勢する付勢手段が設けられている。
【０００９】
本発明によれば、前記回動手段により一方の回転子を他方の回転子に対して回動させることで両回転子間の相対的な位相が変更される。このとき、両回転子間の相対的な位相が所定角以上となる範囲において、両回転子の永久磁石の相互作用による両回転子間のトルクの減少が生じても、回動される一方の回転子が前記付勢手段によって位相の変更方向と反対方向に付勢されることにより、両回転子間のトルクを増加させることができる。
【００１０】
具体的には、本発明においては、前記回動手段により両回転子間の位相が変更され、一方の回転子の永久磁石と他方の回転子の永久磁石との間で第１の回転トルクが発生するとき、前記付勢手段は、両回転子間の相対的な位相が所定角以上となる範囲で減少する第１の回転トルクに、付勢力による第２の回転トルクを付加する。これにより、両回転子間の相対的な位相角の全域においてトルクを一定に増加させることができ、両回転子の相対的な位相を回動手段により変更するとき、両回転子間の位相角を容易に制御することができる。
【００１１】
ここで、前記回動手段は、一方の回転子の永久磁石が他方の回転子の永久磁石の異極に対向する状態から同極に対向する状態となるように一方の回転子を回動させる。両回転子の永久磁石同士が異極に対向する状態から、回動手段が一方の回転子を回動させると、両回転子の永久磁石の相互作用により、両回転子間のトルクが次第に増加し、両回転子間の相対的な位相が所定角以上となったとき、両回転子間のトルクが次第に減少する。従って、両回転子間のトルクが次第に減少する範囲において確実に前記付勢手段による付勢力が付与され、両回転子間のトルクを確実に増加させることができるので、両回転子間のトルクと位相角とを正確に対応させることができる。
【００１２】
また、本発明においては、前記両回転子間に摩擦抵抗を付与して両回転子間の相対的な位相を保持する摩擦抵抗付与手段が設けられていることが好ましい。摩擦抵抗付与手段によって両回転子間に摩擦抵抗を付与することにより、外部からの振動等により両回転子間の位相が不安定になることを防止でき、回動手段による回動を精度良く安定して行うことができる。また、両回転子間の相対的な位相が変更された後には、前記回動手段によって一方の回転子が変更後の位相角に保持されるが、このとき、前記付勢手段により位相の変更方向と反対方向に一方の回転子が付勢された状態となる。そこで、前記摩擦抵抗付与手段により、付勢手段の付勢力に対抗して摩擦抵抗を付与し、両回転子間の相対的な位相を所定の位相角に保持させることで、回動手段の負担を軽減することができ、両回転子間の相対的な位相を変更後の位相に確実に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。
【００１４】
第１の実施形態に係る電動機１は、図１に示すように、環状の外周側回転子２と、外周側回転子２の内側に同心円状に配設された内周側回転子３とを備えている。外周側回転子２は周方向に沿って複数の外周側永久磁石４を備えている。内周側回転子３は、外周側回転子２の各外周側永久磁石４に対向するように周方向に沿って配設された複数の内周側永久磁石５を備えている。内周側回転子３は、外周側回転子２に対して周方向に回動自在に設けられ、この回動によって外周側回転子２との間の相対的な位相が変更可能とされている。また、外周側回転子２の外周には、外周側回転子２及び内周側回転子３を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子巻線（図示略）を有する固定子６が設けられている。
【００１５】
本実施形態の電動機１は、ブラシレスＤＣモータであって、例えばハイブリッド車両や電動車両等の車両に駆動源として搭載され、電動機１の回転軸７はトランスミッション（図示略）の入力軸に接続され、電動機１の駆動力がトランスミッションを介して車両の駆動輪（図示略）に伝達されるようになっている。
【００１６】
なお、車両の減速時に駆動輪側から電動機１に駆動力が伝達されると、電動機１は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギー（回生エネルギー）として回収する。さらに、例えばハイブリッド車両においては、この電動機１の回転軸７が内燃機関（図示略）のクランクシャフトに連結されており、内燃機関の出力が電動機１に伝達された場合にも電動機１は発電機として機能して発電エネルギーを発生する。
【００１７】
図１に示すように、外周側回転子２に設けられた外周側永久磁石４は、板状に形成されており、その厚さ方向（即ち外周側回転子２の径方向）に磁化されている。更に、各外周側永久磁石４は、隣り合うもの同士では極性（磁化方向）が異なる方向となるように配列されている。即ち、外周側がＮ極となる外周側永久磁石４と外周側がＳ極となる外周側永久磁石４とが交互に配列されている。
【００１８】
同様に、内周側回転子３に設けられた内周側永久磁石５は、板状に形成されており、その厚さ方向（即ち内周側回転子３の径方向）に磁化されている。そして、各内周側永久磁石５は、隣り合うもの同士では極性（磁化方向）が異なる方向となるように配列されており、具体的には、外周側がＮ極となる内周側永久磁石５と外周側がＳ極となる内周側永久磁石５とが交互に配列されている。
【００１９】
また、図１及び図２に一部を示すように、回転軸７と内周側回転子３との間には付勢手段８が設けられている。付勢手段８は、回転軸７に保持部９を介して保持された圧縮バネである弾性部材１０と、内周側回転子３の内周面に突出して内周側回転子３の回動に伴い弾性部材１０に当接する当接部１１とを備えている。
【００２０】
外周側回転子２は、図２に示すように、ドライブプレート１２を介して回転軸７に連結されている。内周側回転子３は、回転軸７に回動自在に保持され、アクチュエータ１３（回動手段）により回転軸７周りに回動される。
【００２１】
次に、図３及び図４を参照して第１の実施形態の電動機１の作動を説明する。図３（ａ）は電動機１における強め界磁状態を示している。この状態では、外周側回転子２の外周側永久磁石４と内周側回転子３の内周側永久磁石５とが異極の磁極同士で対向するように配置（同極配置）されている。このような、強め界磁状態では、電動機１のトルク定数（トルク／相電流）を高い値に設定することができる。
【００２２】
次いで、図３（ａ）に示す状態から内周側回転子３を回動させると、図３（ｂ）に示すように、外周側回転子２に対して内周側回転子３が変位し、位相角θ1となったところで内周側回転子３の当接部１１が弾性部材１０の一端に当接する。そして更に内周側回転子３を回動させると、図３（ｃ）に示すように、内周側回転子３は当接部１１により弾性部材１０を圧縮しつつ回動する。そして、外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相が位相角θ2となり、外周側回転子２の外周側永久磁石４と内周側回転子３の内周側永久磁石５との同極の磁極同士が対向して配置（対極配置）されて弱め界磁状態となる。
【００２３】
ここで、内周側回転子３の回動に伴う外周側回転子２と内周側回転子３との間のトルクと位相角との関係を図４に基づいて説明すれば、図３（ａ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ0が図３（ｂ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ１になるまでは、図４に示すように、同極配置されていた外周側永久磁石４と内周側永久磁石５との相互作用により外周側回転子２と内周側回転子３との間の磁力によるトルクＡが増加する。続いて、図３（ｂ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ1が図３（ｃ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ2になるまでは、図４に示すように、外周側永久磁石４と内周側永久磁石５とが対極配置に近づくことにより外周側回転子２と内周側回転子３との間の磁力によるトルクＡが減少する。
【００２４】
一方、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、位相角θ1となったところで内周側回転子３の当接部１１が弾性部材１０の一端に当接し、図３（ｃ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ2になるまで当接部１１による弾性部材１０の圧縮が行われるようになっている。これにより、図３（ａ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ0が図３（ｂ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ１になるまでは、図４に示すように、内周側回転子３の当接部１１が弾性部材１０を圧縮せず、弾性部材１０によるトルクＢは生じない。続いて、図３（ｂ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ1が図３（ｃ）に示す外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角θ2になるまでは、図４に示すように、内周側回転子３の当接部１１が弾性部材１０を圧縮するので、弾性部材１０によるトルクＢが増加する。そして、位相角θ1から位相角θ2までの間、磁力によるトルクＡ（第１の回転トルク）に弾性部材１０によるトルクＢ（第２の回転トルク）が付加されるので、位相角θ0から位相角θ2までの総トルクＣは、位相角に対して概ね比例的に増加する。
【００２５】
このように、付勢手段８を設けることによって、外周側回転子２と内周側回転子３との間の位相角とトルクとが一定の増加により対応するので、アクチュエータ１３による内周側回転子３の回動制御を容易に且つ精度良く行うことができる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。第２の実施形態の電動機１４は、図５に示すように、内周側回転子１５がドライブプレート１６を介して回転軸１７に連結され、外周側回転子１８がアクチュエータ１９を介して回転軸１７及び内周側回転子１５対して回動可能に支持されている。また、外周側回転子１８と回転軸１７との間には付勢手段２０が設けられており、外周側回転子１８と内周側回転子１５との間には摩擦抵抗付与手段２１が設けられている。なお、前述した第１の実施形態と同様に、外周側回転子１８は複数の外周側永久磁石２２を備え、内周側回転子１５は複数の内周側永久磁石２３を備えている。
【００２７】
第２の実施形態の電動機１４における付勢手段２０は、回転軸１７に保持部２４を介して保持された圧縮バネである弾性部材２５と、外周側回転子１８の内周面に突出して外周側回転子１８の回動に伴い弾性部材２５に当接する当接部２６とを備えている。
【００２８】
また、摩擦抵抗付与手段２１は、外周側回転子１８の内方に支持されたフリクションディスク２７と、内周側回転子１５の内側に支持されてフリクションディスク２７に圧接自在の圧接プレート２８と、回転軸１７の軸線方向に進退自在に設けられて圧接プレート２８をフリクションディスク２７に圧接させるピストン部材２９とを備えるクラッチにより構成されている。ピストン部材２９は、内周側回転子１５のドライブプレート１６との間に圧力室３０を形成しており、圧力室３０には、回転軸１７の内部に形成された油路３１から連通孔３２を介して加圧用の油が供給される。これにより、油路３１を介して供給された油により圧力室３０が加圧され、ピストン部材２９が圧接プレート２８をフリクションディスク２７に圧接させて摩擦係合させることで、外周側回転子１８と内周側回転子１５との位相が所望の位相で維持される。また、ピストン部材２９は、圧接プレート２８の押圧方向と反対方向に付勢するリターンスプリング３３により付勢されており、圧力室３０への加圧を解除したとき、圧接プレート２８によるフリクションディスク２７の圧接を解除し、内周側回転子１５に対してアクチュエータ１９による外周側回転子１８の回動が可能とされる。
【００２９】
第２の実施形態の電動機１４によれば、図６（ａ）に示す状態で外周側回転子１８の外周側永久磁石２２と内周側回転子１５の内周側永久磁石２３とが異極の磁極同士で対向するように配置（同極配置）され、強め界磁状態となる。そして、この状態から外周側回転子１８を回動させると、図６（ｂ）に示すように、内周側回転子１５に対して外周側回転子１８が変位し、位相角θ1となったところで外周側回転子１８の当接部２６が弾性部材２５の一端に当接する。第２の実施形態の電動機１４においても、前述の第１の実施形態と同様に、内周側回転子１５と外周側回転子１８とが、磁力によるトルクが減少を開始する位相角θ1となるときに当接部２６による弾性部材２５への当接が開始されるように設定されている。
【００３０】
そして更に外周側回転子１８を回動させると、図６（ｃ）に示すように、外周側回転子１８は当接部２６により弾性部材２５を圧縮しつつ回動する。そして、内周側回転子１５と外周側回転子１８との間の位相が位相角θ2となり、内周側回転子１５の内外周側永久磁石２３と外周側回転子１８の外周側永久磁石２２との同極の磁極同士が対向して配置（対極配置）されて弱め界磁状態となる。そして、図６（ｂ）に示す外周側回転子１８と内周側回転子１５との間の位相角θ1が図６（ｃ）に示す外周側回転子１８と内周側回転子１５との間の位相角θ2になるまでは、外周側回転子１８の当接部２６が弾性部材２５を圧縮するので、図４を参照すれば、弾性部材２５によるトルクＢが増加して総トルクＣを得ることができる。従って、第２の実施形態の電動機１４においても、位相角に対するトルクが概ね比例的に増加するので、アクチュエータ１９による外周側回転子１８の回動制御を容易に且つ精度良く行うことができる。
【００３１】
また、第２の実施形態の電動機１４においては、図５に示すように、摩擦抵抗付与手段２１を設けたことにより、例えば、図６（ｃ）に示すように、弾性部材２５によるトルクが付与されて外周側回転子１８と内周側回転子１５との間のトルクが最も高くなる位相角θ2のとき、ピストン部材２９を作動させて圧接プレート２８をフリクションディスク２７に圧接させ、摩擦係合によって位相角θ2を維持させることができる。これにより、外周側回転子１８と内周側回転子１５との間のトルクが最も高くなる位相角θ2をアクチュエータ１９によって維持するだけでなく、摩擦抵抗付与手段２１の摩擦係合によっても維持することができるので、アクチュエータ１９への負担を軽減することができる。
【００３２】
次に、本発明の第３の実施形態について、図７を参照して説明する。第３の実施形態における電動機３４は、図７に示すように、内周側回転子３５がドライブプレート３６を介して回転軸３７に連結され、外周側回転子３８がアクチュエータ３９を介して回転軸３７及び内周側回転子３５に回動可能に支持されている。また、外周側回転子３８と内周側回転子３５との間には付勢手段４０と摩擦抵抗付与手段４１とが設けられている。
【００３３】
付勢手段４０は、外周側回転子３８の内方に連設された保持部４２を介して保持された圧縮バネである弾性部材４３と、内周側回転子３５に連結されたドライブプレート３６の内周面に突出して外周側回転子３８の回動に伴い弾性部材４３に当接する当接部４４とを備えている。
【００３４】
また、摩擦抵抗付与手段４１は、外周側回転子３８の内方に支持されたフリクションディスク４５と、内周側回転子３５の内側に支持されてフリクションディスク４５に圧接自在の圧接プレート４６とを備え、更に、内周側回転子３５の内側に支持されて圧接プレート４６を介してフリクションディスク４５に圧接状態とされた皿バネ部材４７を備えている。
【００３５】
これによって、第３の実施形態における電動機３４は、第１及び第２の実施形態と同様に、付勢手段４０によって位相角に対するトルクが概ね比例的に増加するようになっており、アクチュエータ３９による外周側回転子３８の回動制御を容易に且つ精度良く行うことができる。
【００３６】
また、第３の実施形態の電動機３４における摩擦抵抗付与手段４１は、皿バネ部材４７によって内周側回転子３５に対する外周側回転子３８の回動に常時摩擦抵抗を付与している。これにより、例えば、ハイブリッド車両や電動車両等の車両に搭載されているために路面状況やエンジンのトルク変動に伴う振動が内周側回転子３５と外周側回転子３８との間に伝達するような状況が生じても、内周側回転子３５に対する外周側回転子３８の不用意な動きが摩擦抵抗付与手段４１によって抑制され、内周側回転子３５と外周側回転子３８との間の位相を安定した状態に維持することができる。
【００３７】
なお、前述した第１乃至第３の実施形態における付勢手段８，２０，４０は、何れも圧縮バネによる弾性部材１０，２５，４３を採用したものを示したが、これに限るものではなく、例えば、本発明の第４の実施形態として図８（ａ）乃至（ｃ）に示すように、引きバネを弾性部材４８として採用することもできる。即ち、第４の実施形態の電動機４９は、図８（ａ）に一部を示すように、環状の外周側回転子５０と、外周側回転子５０の内側に同心円状に配設された内周側回転子５１とを備えている。外周側回転子５０は周方向に沿って複数の外周側永久磁石５２を備えると共に、内周側回転子５１は外周側回転子５０の各外周側永久磁石５２に対向するように周方向に沿って配設された複数の内周側永久磁石５３を備えており、アクチュエータ３９によって内周側回転子５１が回動される。
【００３８】
外周側回転子５０と内周側回転子５１との間には付勢手段５５が設けられている。付勢手段５５は、一端が固定ピン５６により外周側回転子５０に連結され、他端が可動ピン５７により内周側回転子５１に連結された引きバネによる弾性部材４８を備えている。可動ピン５６は、内周側回転子５１に設けられた長孔状の保持溝５８に摺動自在に保持されている。
【００３９】
第４の実施形態においては、図８（ａ）に示す強め界磁状態から内周側回転子５１を回動させると、図８（ｂ）に示すように、外周側回転子５０に対して内周側回転子５１が変位するが位相角θ0から位相角θ1となるまでは、可動ピン５７が保持溝５８に沿って摺動して弾性部材４８による付勢力は殆ど生じない。
【００４０】
そして、図８（ｂ）に示すように、外周側回転子５０と内周側回転子５１との間が位相角θ1となったところで可動ピン５７が保持溝５８の終端に位置し、摺動が規制される。ここから更に内周側回転子５１を回動させると、図８（ｃ）に示すように、内周側回転子５１は弾性部材４８を引き伸ばしつつ回動する。そして、内周側回転子５１と外周側回転子５０との間の位相が位相角θ2となり弱め界磁状態となる。
【００４１】
このように、第４の実施形態の電動機４９においても、外周側回転子５０と内周側回転子５１との間の磁力によるトルクＡが位相角θ1と位相角θ2との間で減少しても、弾性部材４８によるトルクＢを付加して位相角に対するトルクを概ね比例的に増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電動機の要部構成を模式的に示す説明図。
【図２】第１の実施形態の電動機の要部の断面説明図。
【図３】第１の実施形態の電動機の作動説明図。
【図４】第１の実施形態の電動機における位相角とトルクとの関係を示すグラフ図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る電動機の要部を模式的に示す断面説明図。
【図６】第２の実施形態の電動機の作動説明図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る電動機の要部を模式的に示す断面説明図。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る電動機の要部構成及び作動を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
【００４３】
１，１４，３４，４９…電動機、２，１８，３８，５０…外周側回転子（回転子）、３，１５，３５，５１…内周側回転子（回転子）、４，２３，５２…内周側永久磁石（永久磁石）、５，２２，５３…外周側永久磁石（永久磁石）、６，１７，３７…回転軸、８，２０，４０，５５…付勢手段、１３，１９，３９…アクチュエータ（回動手段）、２１，４１…摩擦抵抗付与手段、Ａ…第１の回転トルク、Ｂ…第２の回転トルク。
【図１】
0004800086.tif 000002
【図２】
0004800086.tif 000003
【図３】
0004800086.tif 000004
【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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