(57)【要約】【課題】低速域において強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、高速域において弱め界磁位相に設定した場合に誘起電圧を十分に小さくすることができるようにした電動機を提供する。【解決手段】着磁方向が周方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の外周側永久磁石９Ａを具備する外周側回転子５と、外周側回転子と同心に設けられ、着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石９Ｂを具備する内周側回転子６と、外周側回転子と内周側回転子の間の相対的な位相を変更する手段とを備える電動機であって、内周側永久磁石の着磁方向長さＷｉｎと外周側永久磁石の着磁方向長さＷｏｕｔが同一であり、内周側永久磁石の磁束発生面の面積が外周側永久磁石の磁束発生面の面積の２倍とされている。【選択図】図２
2009254005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その着磁方向が周方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の外周側永久磁石を具備する外周側回転子と、
該外周側回転子と同心に設けられ、その着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石を具備する内周側回転子と、
前記外周側回転子と前記内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、前記外周側回転子と前記内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な位相変更手段と、
を備える電動機であって、
前記内周側永久磁石の着磁方向長さは、前記外周側永久磁石の着磁方向長さと同一であり、
前記内周側永久磁石の磁束発生面の面積は、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積の２倍であることを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記各内周側永久磁石は、同一寸法の一対の永久磁石によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
その着磁方向が周方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の外周側永久磁石を具備する外周側回転子と、
該外周側回転子と同心に設けられ、その着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石を具備する内周側回転子と、
前記外周側回転子と前記内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、前記外周側回転子と前記内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な位相変更手段と、
を備える電動機であって、
前記内周側永久磁石の着磁方向長さは、前記外周側永久磁石の着磁方向長さと同一であり、
前記内周側永久磁石の磁束発生面の面積は、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積の１．６〜２倍であることを特徴とする電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子に設けられる永久磁石の界磁特性を変更できるようにした電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、従来の電動機として、回転軸の周囲に互いに同心に設けられた、内周側永久磁石を具備する内周側回転子と外周側永久磁石を具備する外周側回転子とを備え、内周側回転子と外周側回転子との間の位相を変更することにより、永久磁石による界磁特性を制御するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載の電動機では、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材を使用することで、或いは、各回転子が慣性により回転速度を維持した状態で固定子巻線に回転磁界を発生させることで、各回転子の位相を変更している。
【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】
【０００３】
ところで、電動機では、低速域においては、界磁を強く制御することでトルクを大きく出せるようにし、また、高速域においては、界磁を弱く制御して、固定子巻線に発生する誘起電圧を小さくして、回転数をアップできることが望ましい。
【０００４】
特許文献１に記載の電動機では、高速域にて弱め界磁位相に設定することが記載されているが、内周回転子の永久磁石による発生磁束よりも外周側回転子の永久磁石による発生磁束の方が強い場合には、固定子に及ぼす磁束を弱め切れず、結果的に誘起電圧を十分に低減できないという課題があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低速域において強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、高速域において弱め界磁位相に設定した場合に誘起電圧を十分に小さくすることができるようにした電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した目的を達成するために、請求項１に係る発明は、その着磁方向が周方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の外周側永久磁石（例えば、実施形態における外周側永久磁石９Ａ）を具備する外周側回転子（例えば、実施形態における外周側回転子５）と、該外周側回転子と同心に設けられ、その着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石（例えば、実施形態における内周側永久磁石９Ｂ）を具備する内周側回転子（例えば、実施形態における内周側回転子６）と、前記外周側回転子と前記内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、前記外周側回転子と前記内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な位相変更手段（例えば、実施形態における位相変更手段１２）と、を備える電動機であって、前記内周側永久磁石の着磁方向長さ（例えば、実施形態における着磁方向長さＷｉｎ）は、前記外周側永久磁石の着磁方向長さ（例えば、実施形態における着磁方向長さＷｏｕｔ）と同一であり、前記内周側永久磁石の磁束発生面の面積（例えば、実施形態における面積Ｌｉｎ）は、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積（例えば、実施形態における面積Ｗｏｕｔ）の２倍であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る電動機において、前記各内周側永久磁石は、同一寸法の一対の永久磁石によって構成されることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、その着磁方向が周方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の外周側永久磁石を具備する外周側回転子と、該外周側回転子と同心に設けられ、その着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石を具備する内周側回転子と、前記外周側回転子と前記内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、前記外周側回転子と前記内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な位相変更手段と、を備える電動機であって、前記内周側永久磁石の着磁方向長さは、前記外周側永久磁石の着磁方向長さと同一であり、前記内周側永久磁石の磁束発生面の面積は、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積の１．６〜２倍であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の電動機によれば、強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、弱め界磁位相に制御した際の誘起電圧をほぼゼロにすることができ、モータ鉄損を十分に下げることができる。
【００１０】
請求項２に記載の電動機によれば、外周側回転子と内周側回転子で全部同じ永久磁石を使用することができ、生産性を向上することができる。
【００１１】
請求項３に記載の電動機によれば、強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、弱め界磁位相に制御した際の誘起電圧を強め界磁位相に制御した際の誘起電圧の１０％以下に抑えることができ、モータ鉄損を十分に下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る電動機について図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の電動機１は、図１および図２に示すように、円環状の固定子２の内周側に回転子ユニット３が配置されたインナロータ型のブラシレスＤＣモータであり、例えば、ハイブリッド車両や電動車両等の走行駆動源として用いられる。固定子２は複数相の固定子巻線２ａを有し、回転子ユニット３は軸芯部に回転軸４を有している。この電動機１を車両の走行駆動源として用いる場合、電動機１の回転力はトランスミッション（図示せず）を介して車輪の駆動軸（図示せず）に伝達される。この場合、電動機１を車両の減速時に発電機として機能させれば、発電電力を回生エネルギーとして蓄電器に回収することができる。また、ハイブリッド車両においては、電動機１の回転軸４をさらに内燃機関のクランクシャフト（図示せず）に連結することにより、内燃機関による発電にも利用することができる。
【００１３】
回転子ユニット３は、円環状の外周側回転子５と、この外周側回転子５の内側に同心に配置される円環状の内周側回転子６とを備え、外周側回転子５と内周側回転子６が設定角度の範囲で相対回動可能とされている。
【００１４】
外周側回転子５と内周側回転子６では、回転子本体である円環状のロータ鉄心７、８が、例えば、複数の電磁鋼板を回転軸４に沿う方向に積層してなる積層鋼板によって形成されており、各ロータ鉄心７、８に軸方向に延出する複数の磁石装着スロット７ａ、８ａが円周方向に沿って設けられている。
【００１５】
各磁石装着スロット７ａ、８ａには、厚み方向に磁化された平板状の外周側永久磁石９Ａと内周側永久磁石９Ｂがそれぞれ装着されている。この場合、図３（ａ）、（ｂ）にも示すように、複数の外周側永久磁石９Ａは、着磁方向（厚み方向）が周方向に向くように周方向に所定間隔（本実施形態では、２２．５°）で配置され、複数の内周側永久磁石９Ｂは、着磁方向（厚み方向）が径方向に向くように周方向に所定間隔（本実施形態では、２２．５°）で配置されている。
【００１６】
外周側永久磁石９Ａと内周側永久磁石９Ｂは同数（本実施形態では、８極対）設けられており、外周側回転子５上において周方向に隣接する外周側永久磁石９Ａの磁極の向きは逆に設定され、内周側回転子６上において周方向に隣接する内周側永久磁石９Ｂの磁極の向きも逆に設定されている。
【００１７】
図２に示すように、内周側永久磁石９Ｂの着磁方向長さＷｉｎは、外周側永久磁石９Ａの着磁方向長さＷｏｕｔと同一に設定されている。また、内周側永久磁石９Ｂの周方向における長さＬｉｎは、外周側永久磁石９Ａの径方向における長さＬｏｕｔの２倍に設定されている。このため、外周側永久磁石９Ａと内周側永久磁石９Ｂの軸方向における長さが略同一であることから、内周側永久磁石９Ｂの磁束発生面の面積は、外周側永久磁石９Ａの磁束発生面の面積の２倍に設定されている。
【００１８】
そして、図３（ａ）に示すように、隣接する外周側永久磁石９Ａの対向Ｎ極（またはＳ極）間に、内周側永久磁石９Ｂの同極つまりＮ極（またはＳ極）が対峙するように、外周側回転子５と内周側回転子６の相対回転角度を調整したときには、回転子ユニット３全体の界磁が最も強められる強め界磁位相の状態とすることができる。一方、図３（ｂ）に示すように、隣接する外周側永久磁石９Ａの対向Ｎ極（またはＳ極）間に、内周側永久磁石９Ｂの異極つまりＳ極（またはＮ極）が対峙するように、外周側回転子５と内周側回転子６の相対回転角度を調整したときには、回転子ユニット３全体の界磁が最も弱められる弱め界磁位相の状態とすることができる。
【００１９】
また、回転子ユニット３は、外周側回転子５と内周側回転子６を相対回動させるための回動機構１１を備えている。この回動機構１１は、両回転子５、６の相対位相を任意に変更するための位相変更手段１２を構成するものであり、非圧縮性の作動流体である作動液の圧力によって操作されるようになっている。位相変更手段１２は、上記の回動機構１１と、この回動機構１１に対する作動液の給排を制御する液圧制御装置（図示せず）とを主要な要素として構成されている。
【００２０】
回動機構１１は、回転軸４の外周に一体回転可能にスプライン嵌合されるベーンロータ１４と、ベーンロータ１４の外周側に相対回動可能に配置される環状ハウジング１５とを備え、この環状ハウジング１５が内周側回転子６の内周面に一体に嵌合固定されると共に、ベーンロータ１４が、環状ハウジング１５と内周側回転子６の軸方向の両側の端面を跨ぐ円板状の一対のドライブプレート１６Ａ、１６Ｂ（端板）を介して外周側回転子５に一体に結合されている。従って、ベーンロータ１４は回転軸４と外周側回転子５とに一体化され、環状ハウジング１５は内周側回転子６と一体化されている。なお、図中２２は、ドライブプレート１６Ａ、１６Ｂとベーンロータ１４を結合するボルトであり、２３は、ドライブプレート１６Ａ、１６Ｂと外周側回転子５を結合するボルトである。
【００２１】
ベーンロータ１４は、回転軸４にスプライン嵌合される円筒状のボス部１７の外周に、径方向外側に突出する複数のベーン１８が円周方向等間隔に設けられたものである。一方、環状ハウジング１５は、内周面に円周方向等間隔に複数の凹部１９が設けられ、これら各凹部１９にベーンロータ１４の対応するベーン１８が収容配置されている。各凹部１９は、ベーン１８の先端部の回転軌道にほぼ合致する円弧面を有する底壁２０と、隣接する凹部１９同士を画成する仕切壁２１によって構成され、ベーンロータ１４と環状ハウジング１５の相対回動時に、ベーン１８が一方の仕切壁２１と他方の仕切壁２１の間を移動する。なお、各ベーン１８の先端部には、底壁２０と軸方向に沿うように摺接するシール３１ａと、シール３１ａを底壁２０に向けて押圧するスプリング３１ｂからなるシール部材３１が設けられており、ベーン１８と底壁２０との間を液密にシールする。また、各仕切壁２１の先端部にも、ボス部１７の外周面と軸方向に沿うように摺接するシール３２ａと、シール３２ａをボス部１７の外周面に向けて押圧するスプリング３２ｂからなるシール部材３２が設けられており、仕切壁２１とボス部１７の外周面との間を液密にシールする。
【００２２】
外周側回転子５とベーンロータ１４を連結する両側のドライブプレート１６Ａ、１６Ｂは、環状ハウジング１５の両側面（軸方向の端面）に摺動自在に密接し、環状ハウジング１５の各凹部１９の側方をそれぞれ閉塞する。従って、環状ハウジング１５の各凹部１９は、ベーンロータ１４のボス部１７と両側のドライブプレート１６Ａ、１６Ｂと共にそれぞれ独立した空間を形成し、この空間は、作動液が導入される導入空間となっている。各導入空間内は、ベーンロータ１４の対応する各ベーン１８によってそれぞれ２室に隔成され、一方の室が進角側作動室２４とされ、他方の室が遅角側作動室２５とされている。
【００２３】
進角側作動室２４は、内部に導入された作動液の圧力によって内周側回転子６を外周側回転子５に対して進角方向に相対回動させ、遅角側作動室２５は、内部に導入された作動液の圧力によって内周側回転子６を外周側回転子５に対して遅角方向に相対回動させる。この場合、「進角」とは、内周側回転子６を外周側回転子５に対して図２中の矢印Ｒで示す電動機１の主回転方向に進めることを言い、「遅角」とは、内周側回転子６を外周側回転子５に対して、電動機１の主回転方向Ｒと逆側に進めることを言うものとする。
【００２４】
また、各進角側作動室２４と遅角側作動室２５に対する作動液の給排は回転軸４を通して行われるようになっている。具体的に、進角側作動室２４は、回転軸４に形成された通路孔２６ａと、通路孔２６ａと接続される外周面に形成された環状溝２６ｂと、ベーンロータ１４のボス部１７に略径方向に形成された複数の導通孔２６ｃとを介して液圧制御装置と接続される。また、遅角側作動室２５は、回転軸４に形成された通路孔２７ａと、通路孔２７ａと接続される外周面に形成された環状溝２７ｂと、ベーンロータ１４のボス部１７に略径方向に形成された複数の導通孔２７ｃとを介して液圧制御装置と接続される。
【００２５】
以上の構成において、この電動機１の界磁特性を変更する場合、液圧制御装置による作動液の給排により、進角側作動室２４と遅角側作動室２５の一方に作動液を供給すると共に他方から作動液を排出する。そして、こうして作動液の給排が制御されると、ベーンロータ１４と環状ハウジング１５が相対的に回動し、それにともなって外周側回転子５と内周側回転子６の相対位相が操作される。
【００２６】
外周側回転子５と内周側回転子６の相対位相が操作されると、図３（ａ）に示す強め界磁の状態と図３（ｂ）に示す弱め界磁の状態の間で、固定子２に及ぼす磁界の強さが変化する。磁界の強さが変化すると、それに伴って誘起電圧定数が変化し、その結果、電動機１の特性が変更される。即ち、強め界磁によって誘起電圧定数が大きくなると、電動機１として運転可能な許容回転速度は低下するものの、出力可能な最大トルクは増大し、逆に、弱め界磁によって誘起電圧定数が小さくなると、電動機１の出力可能な最大トルクは減少するものの、運転可能な許容回転速度は上昇する。
【００２７】
特に本電動機１においては、外周側回転子５の外周側永久磁石９Ａを着磁方向が周方向を向くように配置し、内周側回転子６の内周側永久磁石９Ｂを着磁方向が径方向を向くように配置し、しかも、内周側永久磁石９Ｂの着磁方向長さＷｉｎと外周側永久磁石９Ａの着磁方向長さＷｏｕｔとを同一に設定すると共に、内周側永久磁石９Ｂの磁束発生面の面積を外周側永久磁石９Ａの磁束発生面の面積の２倍（即ち、Ｌｉｎ：Ｌｏｕｔ＝２：１）に設定している。このため、図３（ａ）に示すように、強め界磁位相に設定した場合には、強い界磁を固定子２に及ぼすことができ、図３（ｂ）に示すように、弱め界磁位相に設定した場合には、界磁の影響を固定子２にほとんど及ぼさないようにすることができる。即ち、低速域において強め界磁位相に設定した場合には、大きなトルクを取り出すことができ、高速域において弱め界磁位相に設定した場合には、誘起電圧をほぼゼロにすることができる。よって、モータ鉄損を十分に下げることができる。
【００２８】
例えば、図４に示す比較例のように、強いトルクを得るために外周側永久磁石９Ｂの磁束発生面の面積を大きくした場合（即ち、軸方向長さが一定なので、径方向の長さを大きくすれば）、図示のように弱め界磁位相の状態においても、固定子２側に界磁の影響が大きく及ぶために、誘起電圧が大きくなってしまう。
【００２９】
図５は、内周側永久磁石９Ｂの磁束発生面の面積と外周側永久磁石９Ａの磁束発生面の面積の比率、即ち、互いの周方向長さＬｉｎ：Ｌｏｕｔの比率を変えた場合の、内周側回転子と外周側回転子の相対角変化に対する誘起電圧の大きさの変化を示している。この場合、回転数は１０００ｒｐｍである。このグラフから、Ｌｉｎ：Ｌｏｕｔ＝１：２、Ｌｉｎ：Ｌｏｕｔ＝１：１のときは、弱め界磁位相、即ち、電気角が１８０°の場合において、誘起電圧の低減効果が小さいことが分かる。一方、Ｌｉｎ：Ｌｏｕｔ＝３：１やＬｉｎ：Ｌｏｕｔ＝４：１のときは、弱め界磁位相において、誘起電圧がゼロを超えて反転してしまう。それに対して、Ｌｉｎ：Ｌｏｕｔ＝２：１のときは、弱め界磁位相において、誘起電圧をゼロにすることができる。また、Ｌｉｎ：Ｌｏｕｔ＝１．６：１の場合は、誘起電圧を強め界磁位相の誘起電圧の１０％以下に抑えられることが分かる。
【００３０】
従って、本実施形態の電動機１によれば、内周側永久磁石９Ｂの着磁方向長さＷｉｎは、外周側永久磁石９Ａの着磁方向長さＷｏｕｔと同一とし、内周側永久磁石９Ｂの磁束発生面の面積を外周側永久磁石９Ａの磁束発生面の面積の１．６〜２倍とすることで、強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、弱め界磁位相に制御した際の誘起電圧を強め界磁位相の誘起電圧の１０％以下に抑えることができ、モータ鉄損を十分に下げることができる。特に、内周側永久磁石９Ｂの磁束発生面の面積を外周側永久磁石９Ａの磁束発生面の面積の２倍とすることで、弱め界磁位相に制御した際の誘起電圧をゼロにすることができる。また、本実施形態の電動機１を、ロックアップ機構を有するシリーズハイブリッド車両に適用する場合には、ロックアップ時の各回転子の引き摺り損失をゼロ近くにすることができる。
【００３１】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る電動機１Ａを軸線方向から見た断面図である。この電動機１Ａでは、内周側永久磁石９Ｂを、同一寸法の一対の永久磁石９Ｂ１，９Ｂ２によって構成している。このようにすることで、外周側永久磁石９Ａと内周側永久磁石９Ｂの永久磁石９Ｂ１，９Ｂ２とで全て同じ永久磁石を使用することができ、磁石の生産性を向上することができる。なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００３２】
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
また、本実施形態では、位相変更手段１２が内周側回転子６を回動させることで、外周側回転子５と内周側回転子６との間の相対的な位相を変更可能としているが、外周側回転子５を回動させることで、これら回転子５，６との間の相対的な位相を変更可能としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態の電動機の断面図で、図２のＩ−Ｉ矢視断面図に相当する図である。
【図２】同電動機の軸線方向から見た断面図である。
【図３】（ａ）は強め界磁位相のときの磁束の状態を示す図、（ｂ）は弱め界磁位相のときの磁束の状態を示す図である。
【図４】比較例における弱め界磁位相のときの磁束の状態を示す図である。
【図５】内周側永久磁石の磁束発生面の面積と外周側永久磁石の磁束発生面の面積の比率を変えた場合の、内周側回転子と外周側回転子の相対角度変化に対する誘起電圧の大きさの変化を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態の電動機の軸線方向から見た断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  電動機
５  外周側回転子
６  内周側回転子
９Ａ  外周側永久磁石
９Ｂ  内周側永久磁石
１２  位相変更手段
Ｗｉｎ  内周側永久磁石の着磁方向長さ
Ｗｏｕｔ  外周側永久磁石の着磁方向長さ
Ｌｉｎ  内周側永久磁石の周方向の長さ
Ｌｏｕｔ  外周側永久磁石の径方向の長さ
【図１】
2009254005.tif 000003
【図２】
2009254005.tif 000004
【図３】
2009254005.tif 000005
【図４】
2009254005.tif 000006
【図５】
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【図６】
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