(57)【要約】【課題】リラクタンストルクを充分に活用することができる構造で、ステータコイルと鎖交するロータの永久磁石の磁束を変更可能な技術を提供する。【解決手段】回転電機は、ステータ３と、周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ２０及び第２ロータ１０とを備える。第１ロータ２０のロータコア２１には、界磁束を提供する永久磁石２４が埋め込まれている。第２ロータ１０は、ステータ３と第１ロータ２０との間に配置される。第２ロータ１０のロータコア１１は、界磁束に対して磁気抵抗となる磁極間空隙７を備える。磁極間空隙７は、両ロータ１０，２０の相対位置が所定の基準位置にある状態で、周方向に隣接すると共に異なる磁極方向の永久磁石２４の磁極間の中央部に対向する位置に配置されたブリッジ磁路８によって少なくとも２つに分割形成されている。【選択図】図２
2012075288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコイルを有するステータと、周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ及び第２ロータとを備えた回転電機であって、
前記第１ロータは、ロータコアと、当該ロータコアの内部に埋め込まれて前記ステータコイルと鎖交する界磁束を提供する永久磁石とを備え、
前記第２ロータは、ロータコアを備えると共に、前記ステータと前記第１ロータとの間に配置され、
前記第２ロータのロータコアは、前記界磁束に対して磁気抵抗となる磁極間空隙を備え、
前記磁極間空隙は、両ロータの前記相対位置が基準位置にある状態で、周方向に隣接すると共に異なる磁極方向の前記永久磁石の磁極間の中央部に対向する位置に配置されたブリッジ磁路によって少なくとも２つに分割形成されている回転電機。
【請求項２】
前記第１ロータのロータコアは、両ロータの前記相対位置が前記基準位置から電気角で９０度ずれた位相にある状態で、前記ブリッジ磁路に対向する位置に配置され、前記界磁束に対して磁気抵抗となる磁極空隙を備えている請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記磁極空隙は、軸直交断面において周方向に隣接する同じ磁極方向の前記永久磁石に挟まれた領域の形状に相似する形状で形成されている請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ブリッジ磁路と一対の前記磁極間空隙とを含む磁束変更領域及び当該ブリッジ磁路は、前記第２ロータと前記ステータとが対向する側における弧の円周に対する比率が、前記第１ロータと前記第２ロータとが対向する側における弧の円周に対する比率よりも大きくなるように形成されている請求項１から３の何れか一項に記載の回転電機。
【請求項５】
前記ブリッジ磁路によって分割された各磁極間空隙は、軸直交断面において平行四辺形状に形成されている請求項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、周方向の相対位置を調整可能な複数のロータを備えて界磁束を変更可能な可変磁束型の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
内部に永久磁石を埋め込んだロータを備える埋め込み磁石型の回転電機（ＩＰＭＳＭ：interior permanent magnet synchronous motor）が広く用いられている。ＩＰＭＳＭでは、通常、永久磁石はロータコアに固定されているため、ロータから発生する磁束は一定である。ロータの回転速度が上昇するに従ってステータコイルに発生する誘起電圧は高くなり、誘起電圧が駆動電圧を超えると制御不能となる場合がある。これを回避するため、ある回転速度以上では、ロータからの磁界を実質的に弱める弱め界磁制御が行われる。但し、弱め界磁制御を行うと回転電機から出力されるトルクに対してステータコイルに流れる電流が大きくなるため、銅損が大きくなり効率が低下する。また、永久磁石からステータに到達する磁束が一定のままでは、ロータの回転速度が高い領域において、ステータコアに生じる鉄損も大きくなり効率が低下する。
【０００３】
そこで、ロータが備える永久磁石からステータに到達する磁束をロータの回転速度に応じて変化させる技術が提案されている。米国特許第４，８８５，４９３号明細書（特許文献１）には、ロータ（rotor 32）とステータ（stator assembly 30）との間に磁束路変更部材（flux diversion member 34）を備えた回転電機が開示されている。この磁束路変更部材は、シャフト（shaft 18）に沿った方向の両端に非磁性体のエンドリング（end ring 36,38）を備え、これらエンドリングが回転可能にシャフトに保持される。ロータと磁束路変更部材との相対位置を変更することにより、ロータの永久磁石からステータへの磁束の通路が変わり、ステータに到達する磁束が変化する（特許文献１：Fig.1, Fig.2a, Fig.2b, 第２欄等。）。
【０００４】
ところで、ＩＰＭＳＭでは、ロータに対する永久磁石の配置の関係上、永久磁石の磁極の方向の磁気特性と、この方向に対して電気角で９０度ずれた方向（以下、適宜「磁極直交方向」と称する。）との磁気特性とが異なる突極性を有するものが多い。つまり、ステータコイルを流れる電流により生じる回転磁束から見たロータの磁気抵抗（リラクタンス）は一様ではなく、永久磁石の磁極の方向は磁気抵抗が大きく、磁極直交方向では磁気抵抗が小さくなる。このため、磁極直交方向の回転磁界の磁束はロータコアの内部を通り、ロータコアがこの磁束により吸引されてトルクが生じる。このトルクはリラクタンストルクと呼ばれる。このように、突極性を有する回転電機は、永久磁石の磁界が形成する界磁束とステータコイルを流れる電流に基づく回転磁界との吸引反発により生じるマグネットトルクの他、リラクタンストルクを利用できる。ところが、上述したように永久磁石からステータに到達する磁束を変化させるために、単純に磁束路変更部材などを用いて磁束の通路を変更すると、リラクタンストルクを得るための磁束の通路も影響を受ける場合がある。その結果、リラクタンストルクを充分に活用することができなくなり、回転電機の効率が低下する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，８８５，４９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した背景に鑑みて、リラクタンストルクを充分に活用することができる構造で、ステータコイルと鎖交するロータの永久磁石の磁束を変更可能な技術の提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑みた本発明に係る回転電機の特徴構成は、
ステータコイルを有するステータと、周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ及び第２ロータとを備えた回転電機であって、
前記第１ロータは、ロータコアと、当該ロータコアの内部に埋め込まれて前記ステータコイルと鎖交する界磁束を提供する永久磁石とを備え、
前記第２ロータは、ロータコアを備えると共に、前記ステータと前記第１ロータとの間に配置され、
前記第２ロータのロータコアは、前記界磁束に対して磁気抵抗となる磁極間空隙を備え、
前記磁極間空隙は、両ロータの前記相対位置が基準位置にある状態で、周方向に隣接すると共に異なる磁極方向の前記永久磁石の磁極間の中央部に対向する位置に配置されたブリッジ磁路によって少なくとも２つに分割形成されている
点にある。
【０００８】
両ロータの相対位置が基準位置にある状態では、界磁束に対して磁気抵抗となる磁極間空隙により、隣接する永久磁石の磁極間での磁束の漏れを抑制し、ステータコイルへの鎖交磁束を確保することができる。つまり、基準位置においては、永久磁石の磁束を最大限に用いてマグネットトルクを発生させることができる。ここで、リラクタンストルクを発生させる回転磁界の磁束は、永久磁石による界磁束に対して電気角で９０度異なる位相を有しており、磁極間空隙が設けられた場所が磁路となる。つまり、磁極間空隙により、リラクタンストルクを発生させる回転磁界の磁束が妨げられることになる。しかし、本特徴構成によれば、磁極間空隙はブリッジ磁路によって分割形成されているので、このリラクタンストルクを発生させる磁束は、このブリッジ磁路を通って第１ロータのロータコアへと良好に導かれる。このように、相対位置が基準位置にある状態では、マグネットトルク及びリラクタンストルクの双方を良好に活用できる。そして、第１ロータと第２ロータとは、周方向の相対位置を調整可能であり、相対位置に応じて磁極間空隙のロータ側における位置が変わるので、ステータコイルと鎖交する永久磁石の界磁束は変化する。また、基準位置ではブリッジ磁路が磁束の通り道となり、基準位置からずれた位置ではリラクタンストルクを発生させる回転磁界の磁束は磁極間空隙によってはほとんど妨げられることはない。従って、本特徴構成によれば、第１ロータと第２ロータとの相対位置に関わらず、リラクタンストルクを充分に活用することができる構造で、ステータコイルと鎖交するロータの永久磁石の磁束を変更可能な回転電機を得ることができる。
【０００９】
また、好適には、本発明に係る回転電機の前記第１ロータのロータコアは、両ロータの前記相対位置が前記基準位置から電気角で９０度ずれた位相にある状態で、前記第２ロータの前記ブリッジ磁路に対向する位置に配置され、前記界磁束に対して磁気抵抗となる磁極空隙を備えている。両ロータの相対位置が基準位置から電気角で９０度ずれた位相では、第２ロータ内を通ってバイパスされる永久磁石の界磁束の量が最大となるため、ステータコイルと鎖交する永久磁石の界磁束を最も減らすことができる。しかし、上記のようにブリッジ磁路を設けたことにより、両ロータの相対位置が電気角で９０度ずれた位相では、ブリッジ磁路が永久磁石による界磁束の磁路に対応することになる。このため、ブリッジ磁路を通る永久磁石の磁束がステータコイルに鎖交することになる。そこで、好適には第１ロータには、この状態においてブリッジ磁路に対向する位置に磁極空隙が備えられる。この磁極空隙は、ブリッジ磁路を通る界磁束に対して磁気抵抗となるので、ブリッジ磁路を通る漏れ磁束が低減される。その結果、基準位置でリラクタンストルクを得るためにブリッジ磁路を設けたことに起因して、電気角で９０度ずれた位相において界磁束の低減効果が損なわれることを抑制し、当該位相における界磁束の低減効果を高めることができる。
【００１０】
第１ロータのロータコアは、永久磁石の磁束やステータコイルが発生する磁束が良好に通る構造であると共に、両ロータの相対位置が基準位置から電気角で９０度ずれた位相にある状態では、ブリッジ磁路を通る永久磁石の磁束を妨げる構造であることが望まれる。従って、前記磁極空隙は、第１ロータのロータコアがこのような構造を満足できるような形状で形成されることが好ましい。例えば、前記磁極空隙が、軸直交断面において周方向に隣接する同じ磁極方向の前記永久磁石に挟まれた領域の形状に相似する形状で形成されていると、ロータコアの内、磁路となる部分と、磁束バリアとなる部分とがバランス良く形成される。
【００１１】
また、好適には、本発明に係る回転電機の前記ブリッジ磁路と一対の前記磁極間空隙とを含む磁束変更領域及び当該ブリッジ磁路は、前記第２ロータと前記ステータとが対向する側における弧の円周に対する比率が、前記第１ロータと前記第２ロータとが対向する側における弧の円周に対する比率よりも大きくなるように形成されている。このようにすれば、ステータ側のティースに対向する円周面の方を広くすることができるから、ステータコイルから第１ロータ及び第２ロータのロータコアへの磁束を良好に導くことができる。
【００１２】
磁極空隙と同様に、磁束変更領域において磁路となる部分と、磁束バリアとなる部分とがバランス良く形成されることが好ましい。例えば、磁束変更領域とブリッジ磁路とが相似形であるとバランスのよい形状となる。但し、上述したように、ステータ側のティースに対向する円周面の方を広くする場合には、当然ながら完全な相似形ではなく、ほぼ相似形となる。この際、例えば、磁束変更領域において前記ブリッジ磁路によって磁極間空隙が２つに分割形成される場合、磁束変更領域の周方向の両端部に形成される各磁極間空隙は、軸直交断面において平行四辺形状に形成されると好適である。このようにすれば、特に第２ロータを周方向に通ろうとする漏れ磁束に対して均等な磁気抵抗となる。また、磁束変更領域において磁路となる部分と、磁束バリアとなる部分とがバランス良く形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１ロータと第２ロータとの相対位置を変更する相対位置変換機構のスケルトン図
【図２】相対位置が基準位置（０度）の状態での界磁束（ｄ軸磁束）を示す図
【図３】相対位置が基準位置の状態での回転磁界の磁束（ｑ軸磁束）を示す図
【図４】相対位置が基準位置に対して９０度の状態でのｄ軸磁束を示す図
【図５】相対位置が基準位置に対して９０度の状態でのｑ軸磁束を示す図
【図６】相対位置が基準位置に対して４５度の状態でのｄ軸磁束を示す図
【図７】相対位置が基準位置に対して４５度の状態でのｑ軸磁束を示す図
【図８】磁極間空隙及びブリッジ磁路を含む磁束変更領域の拡大図
【図９】格相対位置におけるリラクタンストルクの向上割合を示すグラフ
【図１０】銅損の低減効果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る回転電機の実施形態を図面を利用して説明する。本実施形態では、第１ロータと第２ロータとの周方向の相対位置に応じてステータコイルに鎖交する界磁束が変化する可変磁束型の回転電機を例として説明する。図１に示すように、回転電機２は、相対位置が可変する２つのロータを有するインナロータ型の回転電機である。ロータ４は、ステータ３と対向して本実施形態では相対的に外側に配置される外ロータである第２ロータ１０と、相対的に内側に配置される内ロータである第１ロータ２０とから構成される。また、詳細は後述するが、第１ロータ２０は、第１ロータコア２１と第１ロータコア２１の内部に埋め込まれた永久磁石（図２等を用いて後述する符号２４）とを備えて構成される。第２ロータ１０は、第２ロータコア１１を備えて構成される。
【００１５】
以下の説明では、特に断らない限り、「軸方向Ｌ」、「径方向Ｒ」、「周方向」は、同軸配置された第１ロータコア２１及び第２ロータコア１１の軸心（すなわち回転軸）を基準として定義している。また、以下の説明では、「軸第１方向Ｌ１」は図１における軸方向Ｌに沿った左方を表し、「軸第２方向Ｌ２」は図１における軸方向Ｌに沿った右方を表すものとする。また、「径内方向Ｒ１」は、径方向Ｒの内側（軸心側）へ向かう方向を表し、「径外方向Ｒ２」は、径方向Ｒの外側（ステータ側）へ向かう方向を表す。
【００１６】
〔回転電機及び駆動装置の構造〕
図１に示すように、ステータ３及びロータ４を備えた回転電機２は、ケース８０の内部に収容されている。そして、回転電機２は、第１ロータ２０と第２ロータ１０の周方向の相対位置を調整する相対位置調整機構５０と共に駆動装置１を構成し、回転電機２の駆動力（トルクと同義）を出力軸６に伝達可能に構成されている。
【００１７】
ステータ３は、ケース８０の周壁部の内面に固定されている。ステータ３は、ステータコア３ａとステータコア３ａに巻装されたコイル（ステータコイル）３ｂとを備え、回転電機２の電機子を構成する。ステータコア３ａは、本例では、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されており、円筒状に形成されている。ステータ３の径内方向Ｒ１側には、永久磁石を備えた界磁としてのロータ４が配置されている。ロータ４は、回転軸周りに回転可能にケース８０に支持され、ステータ３に対して相対回転する。ロータ４は、周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ２０及び第２ロータ１０を備えて構成される。
【００１８】
第１ロータ２０は、第２ロータ１０に対してステータ３とは反対側である径内方向Ｒ１側にあって、第２ロータコア１１と同軸配置された第１ロータコア２１を備えている。第１ロータコア２１は、径方向Ｒ視において第２ロータコア１１と重複するように配置されている。本例では、第１ロータコア２１は、第２ロータコア１１と同じ軸方向Ｌ長さを有し、径方向Ｒ視において第２ロータコア１１と完全に重複するように配置されている。また、本例では、第１ロータコア２１は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。第１ロータ２０は、第１ロータコア２１を支持すると共に第１ロータコア２１と一体回転する第１ロータコア支持部材２２を備えている。また、第１ロータ２０は、第１ロータコア２１の内部に埋め込まれてコイル３ｂと鎖交する界磁束を提供する永久磁石２４を備えて構成されている。
【００１９】
第２ロータ１０は、第２ロータコア１１とを備えると共に、ステータ３と第１ロータ２０との間に配置される。外ロータである第２ロータ１０は、ステータ３に対して径内方向Ｒ１側において、ステータ３に対して径方向Ｒに対向するように配置され、第１ロータコア２１と同軸に配置される円筒状の第２ロータコア１１を備えている。第２ロータコア１１も、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。また、第２ロータ１０は、第２ロータコア１１と一体回転する第２ロータコア支持部材１２により、第２ロータコア１１が軸方向Ｌ両側から挟まれて支持される。第２ロータコア支持部材１２の第２ロータコア１１に対して軸第２方向Ｌ２側の部分には、不図示の回転センサ（例えばレゾルバ）のセンサロータが一体回転するように取り付けられている。回転センサは、ステータ３に対するロータ４の回転位置（電気角）や回転速度を検出する。
【００２０】
回転電機２は可変磁束型であり、第１ロータコア２１及び第２ロータコア１１の少なくとも一方には永久磁石が備えられる。本実施形態では、第１ロータコア２１のみに永久磁石が備えられ、第１ロータコア２１の軸方向Ｌの両側には、第１ロータコア２１の内部に備えられた永久磁石の抜け止めのためのエンドプレートが備えられている。なお、軸第２方向Ｌ２側のエンドプレートは、第１ロータコア支持部材２２に形成されたフランジ部により、第１ロータコア支持部材２２に対して軸方向Ｌに位置決め保持されている。また、軸第１方向Ｌ１側のエンドプレートは、カシメ構造、溶接、或いは別部材による抜け止め等により、第１ロータコア支持部材２２に対して軸方向Ｌに位置決め保持されている。
【００２１】
第２ロータコア１１には、磁束に対して磁気抵抗となるフラックスバリアとしての空隙が形成されている。本実施形態では、第２ロータコア１１は、両ロータ１１，２１の相対位置が所定の基準位置にある状態で、周方向に隣接する永久磁石２４の磁極間に配置され、界磁束に対して磁気抵抗となる磁極間空隙（図２等を用いて後述する符号７）を備えている。この磁極間空隙７により、第１ロータ２０と第２ロータ１０との間の周方向の相対位置に応じてステータ３のコイル３ｂに到達する鎖交磁束が変化する。詳細は後述するが、永久磁石２４及び磁極間空隙７は、第１ロータ２０と第２ロータ１０との間の周方向の相対位置に応じて、永久磁石２４から第２ロータコア１１内を通る漏れ磁束が抑制されてステータ３に到達する磁束（界磁束）が多くなる状態と、第２ロータコア１１内を通る漏れ磁束が多くなってステータ３に到達する磁束が少なくなる状態との間で遷移可能に配置されている。つまり、第１ロータ２０と第２ロータ１０との間の周方向の相対位置を調整して、ステータ３のコイル３ｂに到達する鎖交磁束を調整可能である。
【００２２】
相対位置調整機構５０は、第１ロータコア支持部材２２と第２ロータコア支持部材１２との間の周方向の相対位置を調整する機構である。上述したように、第１ロータコア支持部材２２は第１ロータコア２１と一体回転し、第２ロータコア支持部材１２は第２ロータコア１１と一体回転する。従って、相対位置調整機構５０により、第１ロータコア２１と第２ロータコア１１との間の周方向の相対位置が調整される。
【００２３】
本実施形態では、図１に示すように、相対位置調整機構５０は、２つの差動歯車装置（第１差動歯車装置５１及び第２差動歯車装置５２）を備えて構成されている。相対位置調整機構５０は、回転電機２に対して軸第１方向Ｌ１側に配置されている。すなわち、相対位置調整機構５０は、第２ロータコア２１及び第２ロータコア１１の双方に対して軸第１方向Ｌ１側に配置されている。そして、第１差動歯車装置５１と第２差動歯車装置５２とは、第１差動歯車装置５１が第２差動歯車装置５２に対して軸第１方向Ｌ１側に位置するように、軸方向Ｌに並べて配置されている。
【００２４】
第１差動歯車装置５１は、本実施形態では、３つの回転要素を備えたシングルピニオン型の遊星歯車機構により構成されている。すなわち、第１差動歯車装置５１は、複数のピニオンギヤを支持する第１キャリヤ５１ｂと、これらピニオンギヤにそれぞれ噛み合う第１サンギヤ５１ａ及び第１リングギヤ５１ｃとを回転要素として有している。第１サンギヤ５１ａは、第１ロータコア支持部材２２と一体回転するように駆動連結されている。第１キャリヤ５１ｂは、出力軸６と一体回転するように駆動連結されている。これにより、第１ロータコア支持部材２２は、相対位置調整機構５０を介して出力軸６に駆動連結される。
【００２５】
第１リングギヤ５１ｃは、その外周面（径外方向Ｒ２を向く面、以下同様）において、第１リングギヤ５１ｃの回転位置（周方向位置）を調整するためのウォームギヤ５４と噛み合っている。不図示のモータなどの駆動力源と接続された、このウォームギヤ５４を回転させることで、第１リングギヤ５１ｃの回転位置（周方向位置）を変えることができる。第１リングギヤ５１ｃの回転位置の調整時にはモータなどの駆動力源により、ウォームギヤ５４が回転駆動され、調整時以外ではウォームギヤ５４が固定される。つまり、第１リングギヤ５１ｃは、回転位置の調整時を除いて固定された状態となる。
【００２６】
第２差動歯車装置５２は、本実施形態では、３つの回転要素を備えたシングルピニオン型の遊星歯車機構により構成されている。すなわち、第２差動歯車装置５２は、複数のピニオンギヤを支持する第２キャリヤ５２ｂと、これらピニオンギヤにそれぞれ噛み合う第２サンギヤ５２ａ及び第２リングギヤ５２ｃとを回転要素として有している。第２サンギヤ５２ａは、第２ロータコア支持部材１２と一体回転するように駆動連結されている。第２キャリヤ５２ｂは、出力軸６と一体回転するように駆動連結されている。これにより、第２ロータコア支持部材１２は、相対位置調整機構５０を介して出力軸６に駆動連結される。すなわち、本例では、第１ロータコア支持部材２２と第２ロータコア支持部材１２との双方が、相対位置調整機構５０を介して共通の出力軸６に駆動連結されている。また、第２リングギヤ５２ｃは、リング状部材５５を介してケース８０に固定されている。
【００２７】
本実施形態では、第１キャリヤ５１ｂと第２キャリヤ５２ｂとは一体的に一体キャリヤ５３を構成しており、一体キャリヤ５３が出力軸６と一体回転するように駆動連結されている。また、本実施形態では、第１差動歯車装置５１と第２差動歯車装置５２とは互いに同径に構成され、第１差動歯車装置５１の歯数比（＝第１サンギヤ５１ａの歯数／第１リングギヤ５１ｃの歯数）と第２差動歯車装置５２の歯数比（＝第２サンギヤ５２ａの歯数／第２リングギヤ５２ｃの歯数）とは互いに等しく設定されている。そして、第１リングギヤ５１ｃの回転位置の調整時を除いて、第１リングギヤ５１ｃ及び第２リングギヤ５２ｃの双方は固定された状態となる。よって、第１サンギヤ５１ａに駆動連結された第１ロータコア支持部材２２と、第２サンギヤ５２ａに駆動連結された第２ロータコア支持部材１２とは、互いに同じ回転速度（ロータ回転速度）で回転する。そして、出力軸６の回転速度は、ロータ回転速度に対して減速されたものとなる。すなわち、本例では、出力軸６には、回転電機２のトルクが増幅されて伝達される。
【００２８】
また、本実施形態では、第２リングギヤ５２ｃがケース８０に固定されているのに対し、第１リングギヤ５１ｃは回転位置が調整可能となっている。すなわち、キャリヤが一体的に形成された２つの遊星歯車機構において、一方のリングギヤを他方のリングギヤに対して周方向に相対移動（すなわち相対回転）させることが可能となっている。この相対回転に伴い、一方のサンギヤが他方のサンギヤに対して相対回転する。よって、第１リングリヤ５１ｃの回転位置を調整することで、第１サンギヤ５１ａと第２サンギヤ５２ａとの間の周方向の相対位置を調整することができる。その結果、第１ロータコア支持部材２２と第２ロータコア支持部材１２との間の周方向の相対位置を調整することができる。
【００２９】
〔磁気抵抗となる空隙の配置構造〕
上述したように、本実施形態の回転電機２は、第１ロータ２０と第２ロータ１０との間の周方向の相対位置を調整して、ステータ３のコイル３ｂに到達する鎖交磁束を調整することが可能である。以下、永久磁石の磁束（界磁束）の方向をｄ軸、このｄ軸に対して電気角で直交する方向をｑ軸として、永久磁石の磁束をｄ軸磁束、コイル３ｂに流れる電流により生じてリラクタンストルクを生じさせる磁束をｑ軸磁束と称する。以下、第１ロータ２０と第２ロータ１０の相対位置に応じたｄ軸磁束及びｑ軸磁束について図２〜図７を利用して説明する。図２〜図７は、ロータ４の軸直交断面を示し、おおよそ電気角の１周期に相当する部分断面図である。図２及び図３は、相対位置が基準位置である状態を示しており、図４及び図５は、相対位置が基準位置に対して電気角で９０度ずれた状態を示しており、図６及び図７は、相対位置が基準位置に対して電気角で４５度ずれた状態を示している。また、それぞれ図２、図４、図６は、ｄ軸磁束を示しており、図３、図５、図７はｑ軸磁束を示している。ｑ軸磁束の場合、透磁率が真空中の透磁率とほぼ等しい永久磁石はエアギャップ（空隙）と等価となるので、エアギャップの形態で図示している。
【００３０】
〔磁極間空隙とブリッジ磁路の配置構造〕
図２に示すように、第１ロータ２０は、第１ロータコア２１と、この第１ロータコア２１の内部に埋め込まれてコイル３ｂと鎖交する界磁束を提供する永久磁石２４とを備えている。第２ロータコア１１を備える第２ロータ１０は、ステータ３と第１ロータ２０との間に配置されている。第２ロータコア１１は、両ロータ１０，２０の相対位置が所定の基準位置である０度の状態で、周方向に隣接する永久磁石２４の磁極間に配置され、界磁束に対して磁気抵抗となる磁極間空隙７を備えている。この磁極間空隙７は、相対位置が基準位置である０度の状態で、周方向に隣接すると共に異なる磁極方向の永久磁石２４の磁極間の中央部に対向する位置に配置されたブリッジ磁路８によって少なくとも２つに分割形成されている。ここで、異なる磁極方向の磁極間とは、第１ロータ２０のＮ極を構成する永久磁石２４ＮのＮ極面ＮＰと、Ｓ極を構成する永久磁石２４ＳのＳ極面ＳＰとの周方向における間の領域である。より詳しくは、磁極間とは、Ｎ極面ＮＰの径外側方向Ｒ２の端部（径方向外端）と、Ｓ極面ＳＰの径方向外端との間の領域である。尚、Ｎ極面ＮＰ及びＳ極面ＳＰは、磁石２４の径外側方向Ｒ２を向く面である。
【００３１】
磁極間空隙７は、第２ロータコア１１を周方向に通る漏れ磁束に対して大きな磁気抵抗となるフラックスバリアとして機能する。その結果、図２の一点鎖線部Ａに示すように、この漏れ磁束を大幅に抑制し、コイル３ｂの鎖交磁束を確保することができる。図２に示すように、永久磁石２４が発生する界磁束（ｄ軸磁束）は良好にコイル３ｂの鎖交磁束となる。ここで比較のために図４を参照すると、図２とは異なり、周方向に隣接する永久磁石２４の磁極間には磁極間空隙７が位置しない。このため、図４の一点鎖線部Ａに示すように、永久磁石２４の界磁束は、ステータ３の方向に比べて磁気抵抗の低い第２ロータコア１１の周方向に導かれる。つまり、界磁束の多くが漏れ磁束となり、ステータ３のコイル３ｂの鎖交磁束が減ってしまう。両ロータ１０，２０の相対位置が所定の基準位置である０度の状態で、上述したように第２ロータ１０に磁極間空隙７が形成されていることで、漏れ磁束を大幅に抑制し、コイル３ｂの鎖交磁束を確保できることが容易に理解できる。
【００３２】
また、リラクタンストルクを生じさせるｑ軸磁束は、図３に示すようにステータ３からブリッジ磁路８を通って第１ロータ２０へと導かれる。例えば、図３の一点鎖線部Ａにおいて、ブリッジ磁路８が形成されることなく磁極間空隙７が連続して形成されていると、この磁極間空隙７がロータ４の径方向を通る磁束に対する磁気抵抗となって、ｑ軸磁束を減衰させてしまうことになる。その結果、リラクタンストルクが減少するので、回転電機２の効率が低下してしまう。しかし、図３に示すように、本実施形態においては、磁極間空隙７はブリッジ磁路８によって分割形成されているので、リラクタンストルクを発生させるｑ軸磁束は、ブリッジ磁路８を通って第１ロータ２０へと良好に導かれる。即ち、ブリッジ磁路８は、磁極間空隙７内を径方向に橋渡しするように形成されてｑ軸磁束を径方向に通すｑ軸ブリッジとして機能する。以上説明したように、図２及び図３に示された相対位置、即ち基準位置は、マグネットトルク及びリラクタンストルクを良好に活用できて最大トルクを出力することができる相対位置である。
【００３３】
図４は、両ロータ１０，２０の相対位置が基準位置に対して９０度ずれた状態での界磁束（ｄ軸磁束）を示している。上述したように、図２に対して相対位置が９０度ずれたこの状態では、磁極間空隙７は、周方向に隣接する永久磁石２４の磁極間には位置していない。このため、図４の一点鎖線部Ａに示すように、永久磁石２４の界磁束は、ステータ３の方向に比べて磁気抵抗の低い第２ロータコア１１の周方向に導かれて漏れ磁束が増加する。その結果、ステータ３のコイル３ｂの鎖交磁束が減少し、弱め界磁状態となる。つまり、コイル３ｂに流す電流の内のいわゆるｄ軸電流を増加させることなく、回転電機２の弱め界磁制御が可能となる。
【００３４】
図５は、両ロータ１０，２０の相対位置が図４と同様に基準位置に対して９０度ずれた状態でのｑ軸磁束を示している。相対位置がこの状態の時には、磁極間に磁極間空隙７が存在していないので、一点鎖線部Ａにおいて径方向の磁束は妨げられず、ｑ軸磁束は問題なく第２ロータ１０を通って第１ロータ２０へと導かれる。ここで比較のために図３を参照すると、両ロータ１０，２０の相対位置にはほとんど影響されることなく、何れの相対位置においてもｑ軸磁束がステータ３から第１ロータ２０へと導かれていることが判る。
【００３５】
図２〜図５を利用して上述したように、第１ロータ２０と第２ロータ１０とは、周方向の相対位置を調整可能であり、その相対位置に応じてコイル３ｂと鎖交する永久磁石の磁束（ｄ軸磁束）は変化する。しかし、相対位置に拘わらず、ｑ軸磁束はほとんど変化していない。従って、リラクタンストルクを充分に活用することができる構造で、コイル３ｂと鎖交するロータ４の永久磁石２４の磁束を変更可能な回転電機２が実現されている。
【００３６】
両ロータ１０，２０の相対位置に応じてｄ軸磁束が変化し、ｑ軸磁束がほとんど変化しないことについて、相対位置が基準位置に対して４５度ずれた状態での両磁束を示す図６及び図７を利用して補足する。図６は、図２及び図４と同様に永久磁石２４による磁束であるｄ軸磁束を示している。基準位置（図２）においては、分割された磁極間空隙７により第２ロータ１０の周方向の２ケ所で周方向への漏れ磁束がブロックされる形となる。従って、磁極間をバイパスする漏れ磁束は大幅に抑制されている。これに対して、基準位置から４５度ずれた状態（図６）においては、分割された磁極間空隙７により第２ロータ１０の周方向の１ケ所だけでブロックされる形となる。このため、基準位置に比べると第２ロータ１０の周方向を通って磁極間をバイパスするｄ軸磁束が多くなる。その結果、コイル３ｂの鎖交磁束は基準位置と比べて減少し、弱め界磁が達成される。一方、基準位置から９０度ずれた状態（図４）と比べると、第２ロータ１０の周方向を通って磁極間をバイパスするｄ軸磁束は少ない。従って、基準位置から９０度ずれた状態よりも界磁を弱める度合いは少ない。
【００３７】
図７は、両ロータ１０，２０の相対位置が図６と同様に基準位置に対して４５度ずれた状態でのｑ軸磁束を示している。この状態の時も、基準位置に対して９０度ずれた状態（図５）と同様に、第２ロータ１０から第１ロータ２０への径方向を通磁束は、磁極間空隙７によってほとんど妨げられていない。従って、ｑ軸磁束は、ほぼ問題なく第２ロータ１０を通って第１ロータ２０へと導かれる。図３及び図５と比較すると、両ロータ１０，２０の相対位置にはほとんど影響されることなく、ｑ軸磁束がステータ３から第１ロータ２０へと導かれていることが判る。
【００３８】
以上、図２〜図７を利用して説明したように、リラクタンストルクを充分に活用することができる構造で、コイル３ｂと鎖交するロータ４の永久磁石２４の磁束を変更可能な回転電機２が実現される。
【００３９】
〔磁極空隙の配置構造〕
上述したように、両ロータの相対位置が基準位置から電気角で９０度ずれた位相（図４及び図５）は、コイル３ｂと鎖交する永久磁石２４の界磁束を最も減らすことのできる位相である。しかし、図２及び図４との比較から明らかなように、両ロータ１０，２０の相対位置が電気角で９０度ずれた位相では、一点鎖線部Ｂにおいてブリッジ磁路８が磁極の径方向の磁路となる。このため、この位相ではブリッジ磁路８を通る永久磁石２４の磁束が鎖交磁束となってステータ３に到達する。そこで、図４に示すように、第１ロータ２０のロータコア２１は、両ロータ１０，２０の相対位置が基準位置から電気角で９０度ずれた位相にある状態で、第２ロータ１０のブリッジ磁路８に対向する位置に配置され、界磁束（ｄ軸磁束）に対して磁気抵抗となる磁極空隙９を備えている。この磁極空隙９は、図４に示すようにｄ軸磁束に対するフラックスバリアとなり、ブリッジ磁路８を通る界磁束が低減される。その結果、コイル３ｂに鎖交する界磁束を低減することができる。発明者らによる磁場解析シミュレーション結果によれば、両ロータの相対位置が基準位置から電気角で９０度ずれた状態において、ティース３４の中央付近におけるｄ軸磁束の磁束密度は、約３６％低減された。
【００４０】
両ロータ１０，２０の相対位置が基準位置から９０度ずれた状態の場合には、最も界磁束（ｄ軸磁束）が弱められた弱め界磁状態であるから、この状態でコイル３ｂに鎖交する界磁束をできるだけ少なくしたい。本実施形態では、この際、径方向へのｄ軸磁束を抑制することもできる磁極間空隙７において、ブリッジ磁路８があたかもロータ４側とステータ３側との間でｄ軸磁束を径方向Ｒに通過させる橋のように設けられていることから、ｄ軸磁束の抑制効果が低下している。しかし、ｄ軸磁束を抑制できる磁極空隙９が形成されることによって、ブリッジ磁路８を設けたことによる影響を良好に排除することができる。
【００４１】
〔磁極間空隙、ブリッジ磁路、磁極空隙の軸直交断面形状〕
第１ロータ２０の第１ロータコア２１は、永久磁石２４の磁束やコイル３ｂが発生する磁束が良好に通る構造であると共に、両ロータ１０，２０の相対位置が基準位置から電気角で９０度ずれた位相にある状態では、ブリッジ磁路８を通る永久磁石２４の磁束を妨げる構造であることが望まれる。従って、磁極空隙９は、第１ロータコア２１がこのような構造を満足できるような形状で形成されることが好ましい。例えば、磁極空隙９が、軸直交断面において周方向に隣接する永久磁石２４に挟まれた領域の形状に相似する形状で形成されていると、第１ロータコア２１の内、磁路となる部分と、フラックスバリアとなる部分とがバランス良く形成される。図２〜図７に示したように、本実施形態では軸直交断面において周方向に隣接する同じ極を構成する２つの永久磁石２４（同じ磁極方向の永久磁石２４）に挟まれた領域の形状は、扇形である。そして、磁極空隙９は、この扇形の円周方向の中央部に、この扇形の中心角とほぼ同じ中心角を有し、半径が短い扇形で、互いの弧が重なるようにバランスよく配置される。
【００４２】
本実施形態においては、図８の拡大図に示すように、ブリッジ磁路８と一対の磁極間空隙７（７ａ，７ｂ）とを含む磁束変更領域７０及びブリッジ磁路８は、第２ロータ１０とステータ３とが対向する側における弧の円周に対する比率が、第１ロータ２０と第２ロータ１０とが対向する側における弧の円周に対する比率よりも大きくなるように形成されている。ステータ３側のティース３４に対向する円周面の方を広くすることができるので、相対位置が基準位置にある状態でコイル３ｂを流れる電流により発生し、第１ロータ２０及び第２ロータ１０のロータコア２１，１１を巡回する磁束を良好に導くことができる。
【００４３】
また、磁極空隙９と同様に、磁束変更領域７０において磁路（ブリッジ磁路８）となる部分と、磁束バリア（磁極間空隙７ａ，７ｂ）となる部分とがバランス良く形成されることが好ましい。例えば、磁束変更領域７０とブリッジ磁路８とが相似形であるとバランスのよい形状となる。ここで、上述したように、ステータ３側のティース３４に対向する円周面の方を広くする場合には、当然ながら完全な相似形ではなく、ほぼ相似形となる。例えば、磁束変更領域７０においてブリッジ磁路８によって磁極間空隙７が２つに分割形成される場合、磁束変更領域７０の周方向の両端部に形成される各磁極間空隙７ａ，７ｂは、軸直交断面において平行四辺形状に形成される。このようにすれば、特に第２ロータ１０の周方向を通ろうとする漏れ磁束に対して径方向のどの位置においても均等な磁気抵抗となる。また、磁束変更領域７０において磁路となる部分と、磁束バリアとなる部分とがバランス良く形成される。
【００４４】
以上、図２〜図８を利用して説明したように、リラクタンストルクを充分に活用することができる配置並びに形状構造を有する磁極間空隙７、ブリッジ磁路８、磁極空隙９を備えて、コイル３ｂと鎖交するロータ４の永久磁石２４の磁束を変更可能な回転電機２が実現される。図９は、ブリッジ磁路８を備えることなく、磁束変更領域７０の全域に磁極間空隙７が形成され、当然ながら磁極空隙９も備えられない場合と、本実施形態のように磁極間空隙７、ブリッジ磁路８、磁極空隙９を備えた場合とにおいて、リラクタンストルクの大きさを磁場解析によってシミュレーションして、比較したグラフである。図９から明らかなように、リラクタンストルクが約２倍にまで向上している。これにより、同じトルクを出力する場合の回転電機２の効率も向上する。図１０は、銅損について比較したグラフであるが、このグラフから明らかなように、銅損は４％低減される。
【００４５】
〔他の実施形態〕
（１）上記実施形態においては、第１ロータ２０に磁極空隙９を設ける構成を例示したが、磁極空隙９を設けず、第２ロータ１０にのみ磁極間空隙７とブリッジ磁路８とが設けられる構成としてもよい。上述したように、第２ロータ１０に磁極間空隙７とブリッジ磁路８とが設けられることにより、両ロータ１０，２０の相対位置が何れの位相においてもリラクタンストルクを充分に活用することができる構造で、コイル３ｂと鎖交する永久磁石２４の界磁束を変更可能な回転電機が実現できる。より好ましくは、第１ロータ２０に磁極空隙９を設けることで、最も界磁束を低減できる位相においてブリッジ磁路８を経由する界磁束を抑制して界磁束の低減効果を高めることが可能である。しかし、そのようなさらなる低減効果を必要としない場合には、第１ロータ２０に磁極空隙９を設けず、第２ロータ１０にのみ磁極間空隙７とブリッジ磁路８とが設けられる構成としてもよい。
【００４６】
（２）上記実施形態においては、軸直交断面における磁極空隙９の形状が、周方向に隣接する永久磁石２４に挟まれた領域の形状に相似する形状である場合を例示した。しかし、そのような相似形状に限定されることはない。即ち、基準位置から電気角で９０度ずれた位相において、径方向Ｒ視で、磁極間空隙７と共に周方向の一定の領域をフラックスバリアとして連続して構成可能な形状であれば他の形状であってもよい。具体的には、矩形や、上底及び下底が第１ロータ２０の曲率と同程度に湾曲した台形、第１ロータ２０の外周に沿った帯状（円弧帯状）の形状などであってもよい。
【００４７】
（３）上記実施形態においては、図８に示したように、磁束変更領域７０及びブリッジ磁路８は、第２ロータ１０とステータ３とが対向する側における弧の円周に対する比率が、第１ロータ２０と第２ロータ１０とが対向する側における弧の円周に対する比率よりも大きくなるように形成されている場合を例示した。しかし、このような構成に限定されることなく、磁束変更領域７０及びブリッジ磁路８は、周方向の端部が、軸心から延びる放射線に沿うように形成されていてもよい。この場合には、弧と円周との比率が上記実施形態と異なりほぼ同一となる。さらに、上記実施形態とは逆に、磁束変更領域７０及びブリッジ磁路８は、第１ロータ２０と第２ロータ１０とが対向する側における弧の円周に対する比率が、第２ロータ１０とステータ３とが対向する側における弧の円周に対する比率よりも大きくなるように形成されていてもよい。磁束変更領域７０及びブリッジ磁路８の周方向の端部が、ロータ４の径方向に沿って磁束変更領域７０の中央部を通る線に対して平行な線に沿うようにして、磁束変更領域７０及びブリッジ磁路８が形成される場合には、弧と円周との比率が上記実施形態とは逆になる。製造の容易性や低コスト性などにより、このような形状を採用する場合もあるが、当然ながらこのような形状も本発明の技術的範囲に属する。
【００４８】
（４）上記実施形態では、第１ロータコア２１のみに永久磁石２４が備えられている構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、第１ロータコア２１及び第２ロータコア１１の双方に永久磁石が備えられてもよい。また、第２ロータコア１１のみに永久磁石が備えられ、第１ロータコア２１に空隙が形成された構成とすることもできる。
【００４９】
（５）また、上記実施形態では、インナロータ型の回転電機を例として説明したが、当然ながらアウタロータ型の回転電機に適用することもできる。その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、本発明及び本発明と均等な構成を備え、発明の要旨を逸脱しなければ、上記実施形態の一部を適宜改変した構成も、当然に本発明の技術的範囲に属する。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、永久磁石による界磁束を調整可能な可変磁束型の回転電機に利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
２：回転電機
３：ステータ
３ａ：コイル（ステータコイル）
７，７ａ，７ｂ：磁極間空隙
８：ブリッジ磁路
９：磁極空隙
１０：第２ロータ
１１：第２ロータコア（第２ロータのロータコア）
２０：第１ロータ
２１：第１ロータコア（第１ロータのロータコア）
２４，２４Ｎ，２４Ｓ：永久磁石
【図１】
2012075288.tif 000003
【図２】
2012075288.tif 000004
【図３】
2012075288.tif 000005
【図４】
2012075288.tif 000006
【図５】
2012075288.tif 000007
【図６】
2012075288.tif 000008
【図７】
2012075288.tif 000009
【図８】
2012075288.tif 000010
【図９】
2012075288.tif 000011
【図１０】
2012075288.tif 000012