(57)【要約】【課題】ロータの低速回転時における保護部材とステータ間に冗長なエアギャップを設けず、高速回転時における磁石の飛散防止用の保護部材とステータの干渉を防止する。【解決手段】ロータ12はロータコア15及びロータコア15の外周面に配置されるとともに第１端部の外周部が第２端部の外周部よりもロータコア15に関する径方向外側に位置した永久磁石16を覆うように設けられた磁石飛散防止用の保護部材17を有する。ステータ18はロータ12の外側に配置され、永久磁石16の第１端部側の内径が永久磁石の第２端部側の内径より大きく形成されている。ロータ12は駆動手段21により軸方向に沿って移動される。制御装置26は、ロータ12とステータ18を相対移動させる際に、ロータ12の回転速度が大きい程、回転数上昇分に対する永久磁石16の外周面と、ステータ18の内周面との距離の増大分が大きくなるように駆動手段21を制御する。【選択図】図１
2009195025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコア及び前記ロータコアの外周面に配置されるとともに第１端部の外周部が第２端部の外周部よりも前記ロータコアに関する径方向外側に位置した永久磁石を覆うように設けられた磁石飛散防止用の保護部材を有するロータと、
前記ロータの外側に配置され、前記永久磁石の第１端部側の内径が前記永久磁石の第２端部側の内径より大きく形成されたステータと、
前記ロータが前記ロータの軸方向に沿って前記ステータに対して相対移動するように前記ロータ及び前記ステータの少なくともいずれか一方を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段により前記ロータと前記ステータを相対移動させる際に、少なくとも一部の回転数の範囲では前記ロータの回転速度が大きい程、回転数上昇分に対する前記永久磁石の外周面と、前記ステータの内周面との距離の増大分が大きくなるように前記駆動手段を制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする表面磁石形回転電機。
【請求項２】
前記永久磁石は、前記ロータの中心軸を含む平面と前記永久磁石の外周面との交線が直線となる形状に形成されている請求項１に記載の表面磁石形回転電機。
【請求項３】
前記永久磁石は、前記ロータの中心軸を含む平面と前記永久磁石の外周面との交線が内側に凸の曲線となる形状に形成されている請求項１に記載の表面磁石形回転電機。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ロータと前記ステータが相対移動する際に、前記ロータの回転速度が大きい程、回転数上昇分に対する前記永久磁石の外周面と、前記ステータの内周面との距離の増大分が大きくなるように前記駆動手段を制御する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の表面磁石形回転電機。
【請求項５】
前記制御手段は、前記ロータと前記ステータが相対移動する際に、前記ロータの相対移動量がロータの回転速度の２乗に比例するように前記駆動手段を制御する請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の表面磁石形回転電機。
【請求項６】
表面磁石形回転電機は電動機であり、前記駆動手段が前記ロータを軸方向に相対移動させる予め設定された回転速度は、前記ロータの移動を行わない場合に弱め界磁が必要になる回転速度である請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の表面磁石形回転電機。
【請求項７】
前記駆動手段は、前記ロータを軸方向に移動させることにより前記ロータを前記ステータに対して相対移動させる請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の表面磁石形回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面磁石形回転電機に係り、詳しくはロータの表面に永久磁石が設けられるとともに、永久磁石の飛散を防止する磁石飛散防止用の保護部材で永久磁石及びロータの表面が覆われた表面磁石形回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石形回転電機として、ロータ鉄心（ロータコア）の外周面に永久磁石を貼り付けた表面磁石形回転電機がある。表面磁石形回転電機では、ロータコアの表面に磁石が貼り付けられている構造のため、高速回転時に磁石と鉄心との吸引力や磁石と鉄心との間に充填されている接着剤の強度が遠心力による引っ張り力に耐えることができず、磁石が飛散する虞があり、磁石の飛散を防止する対策が必要になる。
【０００３】
磁石の飛散防止対策として、一般に非磁性材で形成された保護部材を永久磁石の外周面に設けたり、カーボン繊維等を巻いたりして磁石の飛散を防止している。しかし、磁石がロータコアから剥がれた際、保護部材は自身に作用する遠心力に加えて磁石の遠心力も受けて半径方向に伸びるため、半径方向に伸びたときでもステータに干渉しないよう、予めエアギャップ長を広く確保するか、ステータに干渉しない回転速度に制限する必要がある。
【０００４】
従来、ロータの遠心力強度、曲げ強度、ねじり強度、曲げ剛性、ねじり剛性の向上を図るため、磁石表面に単繊維を所定の方向に一定張力をかけつつ層状に巻き上げ、マトリックス樹脂によって複合化した構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。単繊維は、図６に示すように、磁石６０の表面に、軸線Ｌと成す角度α１が９０度となるフープ巻きと、軸線Ｌと成す角度α２が１５度となるヘリカル巻きで巻き付けられており、ヘリカル巻きにより曲げ剛性が付与され、フープ巻きにより圧縮応力が付与される。
【０００５】
また、回転速度上昇に伴う電圧の上がり過ぎを防止できる立形発電機として、固定子に対する回転子の軸方向位置を移動させて、固定子と回転子間の空隙の磁束密度を変化させ、回転速度上昇時に電圧が上がりすぎないようにしたものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２には、図７に示すように、回転界磁形交流発電機において、立軸６１に対してその軸方向に摺動可能に回転子６２が支持され、キー６３によって立軸６１と共に回転される。回転子６２は軸方向に移動自在になるように構成されている。回転子６２は上側端面が下側端面より外径が大きくなるように、外周がテーパ状に形成されており、空隙６５は上側では狭く下側では広くなっている。立軸６１には回転子６２の上方に支持部材６６が固定され、回転子６２は一対のリンク６７を介して支持部材６６に連結されている。リンク６７の途中には遠心錘６８が設けられ、立軸６１が回転すると遠心錘６８が径方向に拡がろうとする。そして、遠心錘６８に加わる遠心力によりリンク６７を介して回転子６２が上方へ移動する。その結果、高速回転時は低速回転時に比べて空隙６５が一様に広くなって、電圧の上がり過ぎを防止することができる。
【特許文献１】特開平９−１９０９３号公報
【特許文献２】実開昭５４−１７５５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のように保護部材の繊維をフープ巻きとヘリカル巻で巻き付けることにより、半径方向の引っ張り強度及び軸方向ねじり剛性の改善が可能である。しかし、高速回転時には保護部材の伸びが発生するため、依然として、高速回転時の磁石飛散防止、即ち磁石保護部材の伸びを考慮したエアギャップ長の設計となり、低速回転時には冗長のエアギャップ長となる。エアギャップ長を広く確保することは、エアギャップ中の磁気抵抗を大きくすることと等価であり、トルク低下を引き起こすという問題もある。
【０００７】
また、特許文献２は発電機において、回転子６２の高速回転時に発電電圧が上昇し過ぎないように、遠心錘６８に作用する遠心力により回転子６２を自動的に軸方向に移動させるようにしている。しかし、特許文献２では表面磁石形回転電機における磁石の飛散防止のために設ける保護部材や、保護部材が回転子の高速回転に伴って径方向に伸びた場合における固定子（ステータ）との干渉を抑制することに関しては、何ら触れられていない。
【０００８】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ロータ（回転子）の低速回転時において保護部材とステータとの間に冗長なエアギャップを設けずに、高速回転時における磁石の飛散防止用の保護部材と、ステータ（固定子）との干渉を防止することができる表面磁石形回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ロータコア及び前記ロータコアの外周面に配置されるとともに第１端部の外周部が第２端部の外周部よりも前記ロータコアに関する径方向外側に位置した永久磁石を覆うように設けられた磁石飛散防止用の保護部材を有するロータと、前記ロータの外側に配置され、前記永久磁石の第１端部側の内径が前記永久磁石の第２端部側の内径より大きく形成されたステータとを備えている。また、前記ロータが前記ロータの軸方向に沿って前記ステータに対して相対移動するように前記ロータ及び前記ステータの少なくともいずれか一方を駆動する駆動手段と、前記駆動手段により前記ロータと前記ステータを相対移動させる際に、少なくとも一部の回転数の範囲では前記ロータの回転速度が大きい程、回転数上昇分に対する前記永久磁石の外周面と、前記ステータの内周面との距離の増大分が大きくなるように前記駆動手段を制御する制御手段とを備えている。
【００１０】
この発明では、ロータコアの外周面に配置された永久磁石は第１端部の外周部が第２端部の外周部よりもロータコアの径方向外側に位置するように形成されているため、ロータ
をロータの軸方向に沿ってステータに対して相対移動させることにより、保護部材とステータとのギャップが変更される。そして、ロータがステータに対して軸方向に相対移動される際、少なくとも一部の移動範囲では、ロータの回転速度が大きい程、ロータコアの外周面と、ステータの内周面との距離が大きくなるように移動される。したがって、ロータ（回転子）の低速回転時において保護部材とステータとの間に冗長なエアギャップを設けずに、高速回転時における磁石の飛散防止用の保護部材と、ステータ（固定子）との干渉を防止することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記永久磁石は、前記ロータの中心軸を含む平面と前記永久磁石の外周面との交線が直線となる形状に形成されている。したがって、この発明では、保護部材が繊維を巻き付けて構成される場合、前記交線が内側に凸の曲線となる形状の場合に比べて繊維を巻き付け易くなる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記永久磁石は、前記ロータの中心軸を含む平面と前記永久磁石の外周面との交線が内側に凸の曲線となる形状に形成されている。したがって、この発明では、中心軸を含む平面と外周面との交線が直線となる形状に形成された場合に比べて、保護部材がステータと干渉しないように設けるギャップの大きさを小さくすることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記制御手段は、前記ロータと前記ステータが相対移動する際に、前記ロータの回転速度が大きい程、回転数上昇分に対する前記永久磁石の外周面と、前記ステータの内周面との距離の増大分が大きくなるように前記駆動手段を制御する。この発明でも、ロータの低速回転時において保護部材とステータとの間に冗長なエアギャップを設けずに、高速回転時における磁石の飛散防止用の保護部材と、ステータとの干渉を防止することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記制御手段は、前記ロータと前記ステータが相対移動する際に、前記ロータの相対移動量がロータの回転速度の２乗に比例するように前記駆動手段を制御する。保護部材が受ける遠心力はロータの回転速度の２乗に比例して大きくなる。この発明では、ロータの相対移動量がロータの回転速度の２乗に比例するよう移動されるため、保護部材がステータと干渉しないように設けるギャップの大きさを、最高回転数におけるロータとステータの距離が最適になるという前提でロータの相対移動量がロータの回転速度に正比例する場合に比べて小さくすることができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、表面磁石形回転電機は電動機であり、前記駆動手段が前記ロータを軸方向に相対移動させる予め設定された回転速度は、ロータの移動を行わない場合に弱め界磁が必要になる回転速度である。
【００１６】
一般に表面磁石形電動機を運転する場合、インバータで電力を供給するが、回転速度が所定速度までは最大トルク制御を行い、インバータの最大電流でトルクが最も大きくなるように制御する。そして、回転速度が所定回転数を超える範囲では誘起電圧がインバータ入力電圧より大きくならないように、ロータから発生する磁石磁束を弱めるような電流を流す弱め界磁制御を行う。この発明では、弱め界磁を行う回転速度を超えるとロータが軸方向に相対移動されるため、ロータコアとステータのギャップが大きくなり、同じ回転速度では誘起電圧が低くなる。そのため、ロータの高速回転時に弱め界磁用の電流を小さくしても誘起電圧が過大になるのを抑制することができ、電動機を高効率で運転することができる。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記駆動手段は、前記ロータを軸方向に移動させることにより前記ロータを前記ステータに対して相対移動させる。ロータをステータに対して軸方向に相対移動させるには、ステータは固定してロータを移動させる方法と、ロータは回転のみ可能で軸方向への移動は不能としてステータを軸方向に移動させる方法と、ロータ及びステータの両方を軸方向に移動させる方法とがある。この発明では、駆動手段は、ロータを軸方向に移動させるため、ステータを移動させる構成に比べて回転電機の大型化を抑制し易い。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ロータ（回転子）の低速回転時において冗長なエアギャップを設けずに、高速回転時における磁石の飛散防止用の保護部材と、ステータ（固定子）との干渉を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
以下、本発明を表面磁石形回転電動機に具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、表面磁石形回転電機としての電動機１０は、有底円筒状の本体部１１ａと、その開口部を覆う蓋部１１ｂとからなるハウジング１１を有し、ロータ１２の回転軸１３が、本体部１１ａの中央と蓋部１１ｂの中央に固定された軸受け１４を介してハウジング１１に対して回転可能に支持されている。なお、この実施形態では、本体部１１ａの底部側を電動機１０の下側、蓋部１１ｂ側を電動機１０の上側として説明する。
【００２１】
ロータコア１５は、第１端部（この実施形態では上端部）の外径が第２端部の外径より大きく形成されている。ロータコア１５は鋼鈑が積層されて形成されている。この実施形態では、ロータコア１５は、円錐台状、即ち中心軸を含む平面と外周面との交線が直線となる形状に形成され、図示しないスプライン嵌合により回転軸１３と一体回転可能かつ軸方向に摺動可能に設けられている。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、ロータコア１５の外周面には、断面形状が回転中心をロータ１２と共有する円弧状の永久磁石１６が複数個（この実施形態では６個）、周方向に等間隔を置いて配置されている。永久磁石１６として、磁力の強い希土類磁石が使用されている。即ち、永久磁石１６は、ロータコア１５の外周面に配置されるとともに第１端部の外周部が第２端部の外周部よりもロータコア１５に関する径方向外側に位置している。また、永久磁石１６は、ロータ１２の中心軸を含む平面と永久磁石１６の外周面との交線が直線となる形状に形成されている。
【００２３】
各永久磁石１６は、ロータコア１５に接着剤で接着されるとともに磁石飛散防止用の保護部材１７で覆われている。この実施形態では、保護部材１７は、フープ巻き及びヘリカル巻で巻き付けられた複数層の炭素繊維層を強化繊維とする繊維強化樹脂で構成されている。なお、図１（ａ）では、保護部材１７を明確に表すために、永久磁石１６から離れた状態で表しているが、実際は、保護部材１７は永久磁石１６の表面に密着している。保護部材１７は、例えば、未硬化の熱硬化樹脂（例えば、エポキシ樹脂）が含浸された繊維を永久磁石１６の外周に巻き付けた後、加熱硬化させることにより形成される。
【００２４】
本体部１１ａの内側には、ロータ１２の外側にステータ（固定子）１８が固定されている。ステータ１８は、軸方向の長さが、ロータコア１５の軸方向の長さと同じに形成されている。ステータ１８は、ロータコア１５の第１端部と対応する側の内径、即ち上端側の内径が、ロータコア１５の第２端部と対応する側の内径より大きく形成されている。ステータ１８は、内側に複数のティース１９が等間隔で設けられており、ステータ１８の内径とは、ステータ１８の中心からティース１９の先端面までの距離を意味する。即ち、ステータ１８は、ロータ１２の外側に配置され、永久磁石１６の第１端部側の内径が永久磁石１６の第２端部側の内径より大きく形成されている。ティース１９は３の倍数個設けられ、ティース１９にはコイル（巻線）２０が巻かれている。コイル２０の巻き付け方法は分布巻であっても集中巻であってもよい。この実施形態では、ロータコア１５の中心軸を含む平面と外周面との交線が軸方向と成す角度θｒと、ステータ１８中心軸を含む平面と内周面との交線が軸方向と成す角度θｓとが同じに構成されている。
【００２５】
本体部１１ａの底部には、  ロータ１２をロータ１２の軸方向に沿ってステータ１８に対して相対移動させるように駆動する駆動手段２１が設けられている。駆動手段２１としてリニアアクチュエータが使用されている。回転軸１３にはロータコア１５の第２端部と対向する位置にスラスト軸受け２２が、回転軸１３に沿って移動可能に支承されており、駆動手段２１は、移動部２１ａがブラケット２３を介してスラスト軸受け２２を押し上げ可能に構成されている。駆動手段２１は、その移動部２１ａが元位置に配置された状態で、ロータコア１５の下端がコイルエンドを除いたステータ１８の下端と同じ高さとなるように配置されている。そして、ロータコア１５は、下端の高さがコイルエンドを除いたステータ１８の下端の高さと同じ状態が基準位置となっている。回転軸１３にはロータコア１５の第１端部（上端部）と当接する状態でスラスト軸受け２４が、回転軸１３に沿って移動可能に支承されており、スラスト軸受け２４の上面と、蓋部１１ｂの下面との間に、スラスト軸受け２４を下方へ付勢するコイルばね２５が設けられている。
【００２６】
駆動手段２１は、制御手段としての制御装置２６によって制御される。制御装置２６は、図示しないマイクロコンピュータ（マイコン）を備え、マイコンのメモリに記憶されたプログラムメモリに基づいて駆動手段２１を制御する。制御装置２６は、回転軸１３の回転速度を検出する図示しないセンサの検出信号によってロータ１２の回転速度を演算する。制御装置２６は、ロータ１２の回転速度が予め設定された回転速度を超えた状態でロータ１２を軸方向に移動させ、かつロータ１２の回転速度が大きい程、ロータコア１５の外周面と、ステータ１８の内周面との距離が大きくなるように予め設定された回転速度と移動量との関係となるように駆動手段２１を制御する。
【００２７】
制御装置２６は、ロータ１２を移動不能とした場合に、ロータ１２の回転に伴って生じる誘起電圧が過大になるのを防止するため、弱め界磁制御を開始する回転速度ωｓになるまでは、駆動手段２１を駆動させず、ロータ１２の回転速度が回転速度ωｓを超えると駆動手段２１を駆動させる。制御装置２６は、ロータ１２の基準位置からの移動量がロータ１２の回転速度の２乗に比例するように駆動手段２１を制御する。
【００２８】
次に前記のように構成された電動機１０の作用を説明する。
電動機１０が駆動される場合は、ステータ１８のコイル２０に通電されてロータ１２に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石１６の磁束との作用によりロータ１２が回転する。ロータ１２の回転に伴い、保護部材１７には遠心力が作用する。また、永久磁石１６をロータコア１５に接着している接着剤の接着力が弱くなって、永久磁石１６がロータコア１５の表面から離れる状態になると、永久磁石１６に作用する遠心力も保護部材１７に作用する。そして、遠心力の作用により、保護部材１７が径方向に伸びる状態になる。
【００２９】
ロータ１２の回転速度と、その回転速度における保護部材１７の伸び量の関係は決まっている。そして、ロータコア１５が外径一定の形状で、ステータ１８が内径一定の形状の場合は、ロータ１２の最高回転速度における保護部材１７の伸び量を基に、ステータ１８と保護部材１７とのギャップを、ロータ１２が最高回転速度で回転された際に、保護部材１７がステータ１８と干渉しないように設定する必要がある。その場合、設定されたギャップでは、低速回転時にはギャップが大きすぎる、即ち、保護部材１７とステータ１８との間に冗長なエアギャップが存在することになり、トルクの減少等電動機特性が低下する。
【００３０】
電動機１０は、ロータ１２の回転速度が予め設定された回転速度を超えるまでは、図２（ａ）に示すように、ロータコア１５の下端がステータ１８の下端と同じ高さとなる基準位置に保持された状態で運転される。この実施形態では、ロータコア１５が基準位置に配置された状態における保護部材１７とステータ１８とのギャップの大きさは、高速回転時に保護部材１７の伸びによって保護部材１７がステータ１８と干渉しない値より小さな値に設定されているため、低速回転時におけるトルクの減少が防止される。
【００３１】
ロータ１２の回転速度が、予め設定された回転速度を超える高速回転になると、図２（ｂ）に示すように、駆動手段２１が駆動されてロータコア１５が基準位置より上に移動される。ロータコア１５は、第１端部（上端部）の外径が第２端部の外径より大きく形成された円錐台状に形成されており、ステータ１８は上端部の内径が下端部の内径より大きく形成されているため、ロータコア１５が上側に移動されると、保護部材１７とステータ１８とのギャップが大きくなる。そして、ロータコア１５が基準位置に配置された状態におけるギャップの大きさを、高速回転時に保護部材１７の伸びによって保護部材１７がステータ１８と干渉する小さな値に設定しても、ロータ１２の高速回転時には、ロータ１２が移動される。そのため、保護部材１７の伸びが大きくなっても、保護部材１７とステータ１８とが干渉しない状態になる。
【００３２】
ロータコア１５の外径が一定であれば、保護部材１７が均一に形成されている場合、その伸びはどの位置でも同じになる。しかし、ロータコア１５が円錐台状に形成されており、保護部材１７は、強化繊維がロータコア１５の外周に配置された永久磁石１６を覆うように巻き付けられて形成されているため、軸方向における位置によってその径が異なる。  
【００３３】
回転体に作用する遠心力Ｆは、次式で表される。
Ｆ＝ｍω２ｒ…（１）
但し、ｍは質量、ωは角速度、ｒは回転半径である。
【００３４】
即ち、遠心力Ｆは回転速度（角速度）の２乗に比例し、保護部材１７の伸び量も回転速度（角速度）の２乗に比例した状態で増加する。そのため、保護部材１７の径方向の伸び量（膨張量）は、半径が最大の上端で最大になり、半径が最小の下端で最小になる。図３（ａ）は、保護部材１７の上端及び下端の径を示し、実線が伸びる前の状態を示し、二点鎖線が伸びた後の状態を示す。
【００３５】
制御装置２６は、ロータ１２の移動量が回転速度の２乗に比例するように駆動手段２１を制御する。その結果、ロータコア１５の表面とステータ１８の内面との距離（ギャップ）は、図３（ｂ）に示すように、ロータ１２の回転速度のほぼ２乗に比例して増加する。そのため、ロータ１２を一定速度で移動させる場合に比べて、ロータコア１５の表面とステータ１８の内面との距離を小さくしても、保護部材１７がステータ１８と干渉せずにギャップが適切な状態で変化する。
【００３６】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）ロータコア１５は第１端部の外径が第２端部の外径より大きく形成され、ステータ１８はロータコア１５の第１端部と対応する側の内径がロータコア１５の第２端部と対応する側の内径より大きく形成されている。永久磁石１６はロータコア１５の表面に固定されている。即ち、永久磁石１６はロータコア１５の外周面に配置されるとともに第１端部の外周部が第２端部の外周部よりもロータコア１５に関する径方向外側に位置している。そして、ロータ１２をロータ１２の軸方向に沿ってステータ１８に対して相対移動させることにより、保護部材１７とステータ１８のギャップが変更される。したがって、ロータ１２の低速回転時において保護部材１７とステータ１８との間に冗長なエアギャップを設けずに、高速回転時における磁石の飛散防止用の保護部材１７と、ステータ１８との干渉を防止することができる。
【００３７】
（２）ロータ１２の回転速度が予め設定された回転速度を超えた状態でロータ１２が軸方向に相対移動され、かつロータ１２の回転速度が大きい程、ロータコア１５の外周面と、ステータ１８の内周面との距離が大きくなるように予め設定された回転速度とロータ１２の移動量との関係となるように移動される。したがって、保護部材１７をロータ１２の回転開始から少しずつ軸方向に移動させる構成と異なり、回転速度が低い段階でロータ１２の移動がないため、ロータコア１５のステータ１８と対向する面積の減少に伴うトルクの低下や、ロータコア１５の外周面と、ステータ１８の内周面との距離が拡がることによるトルクの低下を抑制することができる。
【００３８】
（３）制御装置２６は、ロータ１２の相対移動量がロータ１２の回転速度の２乗に比例するように駆動手段２１を制御する。したがって、保護部材１７がステータ１８と干渉しないように設けるギャップの大きさを、ロータ１２の移動量がロータ１２の回転速度に正比例するように設定した場合に比べて、回転速度が低い段階での移動量を小さくすることができる。そのため、ロータ１２の移動に伴いロータコア１５のステータ１８と対向する面積の減少に伴うトルクの低下を抑制することができる。
【００３９】
（４）永久磁石１６はロータ１２の中心軸を含む平面と外周面との交線が直線となる形状に形成されている。したがって、保護部材１７が繊維を巻き付けて構成される場合に、交線が内側に凸となる形状の場合に比較して繊維を巻き付け易くなる。
【００４０】
（５）駆動手段２１がロータ１２を軸方向に移動させる予め設定された回転速度は、ロータ１２の移動を行わない場合に弱め界磁が必要になる回転速度である。弱め界磁は、誘起電圧が過大にならないように磁石磁束を減らすための余分なｄ軸電流を流すため、弱め界磁電流が大きければその分、電動機１０の効率が低下する。この実施形態では、ロータ１２の移動を行わない場合に弱め界磁が必要な回転速度を超えるとロータ１２が移動されて、保護部材１７とステータ１８とのギャップが大きくなる。したがって、ロータ１２の高速回転時に弱め界磁電流を小さくしても誘起電圧が過大になるのを抑制することができ、磁石磁束を減らすための余分なｄ軸電流を多く流す必要がなくなり、電動機を高効率で運転することができる。
【００４１】
（６）駆動手段２１は、ロータ１２を軸方向に移動させることによりロータ１２をステータ１８に対して相対移動させる。したがって、ステータ１８を移動させる構成に比べて電動機１０の大型化を抑制し易い。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図４にしたがって説明する。この実施形態では、ロータコア１５及び駆動手段２１が第１の実施形態と異なっており、その他の構成は第１の実施形態と同様である。第１の実施形態と同様の部分は同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４３】
図４（ａ）に示すように、ロータコア１５は、外形が円錐台状に形成されているが、その長さが、ステータ１８の長さより長く形成されている。詳述すると、ロータコア１５の長さは、ステータ１８の長さと、ティース１９に巻かれたコイル２０のステータ１８の両端面から突出している部分であるコイルエンド２０ａの片側部分の長さとの和以下（この実施形態では同じ）に設定されている。そして、ロータコア１５が基準位置に配置された状態では、ロータコア１５の第１端部がコイルエンド２０ａを除いたステータ１８の第１端部と同じ高さとなり、第２端部がコイルエンド２０ａを除いたステータ１８の第２端部から突出する状態に配置されている。
【００４４】
また、ロータコア１５の中心軸を含む平面と外周面との交線が軸方向と成す角度θｒと、ステータ１８中心軸を含む平面と内周面との交線が軸方向と成す角度θｓとが同じではなく、角度θｓが角度θｒより大きく設定されている。即ち、ロータコア１５が基準位置に配置された状態において、ロータコア１５の外周面の上端と、ステータ１８の内周面の上端との距離を第１の実施形態の場合と同じに設定した場合、ステータ１８の内周面の下端と、その下端と同じ高さのロータコア１５外周面との距離は、第１の実施形態の場合より小さくなる。
【００４５】
制御装置２６は、第１の実施形態と同様に駆動手段２１を駆動制御する。第１の実施形態の構成では、ロータコア１５が基準位置から上側に移動されるに伴って、ステータ１８の内周面の一部がロータコア１５の外周面と対応しない状態になる。しかし、この実施形態では、図４（ｂ）に示すように、ロータコア１５が基準位置から最も上側に移動された状態においても、ステータ１８の内周面がロータコア１５の外周面と対応する状態、即ち、回転軸１３と直交する平面がステータ１８の内周面と交差する場合は、ロータコア１５の外周面とも交差する状態になる。
【００４６】
前述したように、回転体に作用する遠心力Ｆは、Ｆ＝ｍω２ｒで表される。即ち、遠心力は半径ｒに比例する。そして、ロータ１２が回転している状態では、保護部材１７の上端部に作用する遠心力の方が、保護部材１７の下端部に作用する遠心力より大きくなる。そのため、基準位置におけるロータ１２の高速回転時に、保護部材１７とステータ１８との干渉を回避するように設定したロータコア１５の外周上端部とステータ１８の内周上端部との距離を基準にして、ステータ１８の内周面とロータコア１５の外周面との距離をどの位置でも同じに設定すると、殆どの部分の距離は安全率が高すぎる状態になる。しかし、この実施形態ではステータ１８の内周面とロータコア１５の外周面との距離がステータ１８の第２端部（下端部）側ほど小さくなるように設定されている。したがって、前記距離は安全率が高すぎる大きさより小さくでき、トルクの低下が抑制される。
【００４７】
したがって、この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（７）ロータコア１５の軸方向の長さはステータ１８の軸方向の長さより長く形成されている。そして、ロータコア１５が基準位置に配置された状態において、ロータコア１５の第２端部がステータ１８の第２端部から突出する状態に配置されるとともに、ロータコア１５が基準位置から最も移動された状態においても、ステータ１８の内周面がロータコア１５の外周面と対応するように形成されている。したがって、ロータコア１５が基準位置から移動した状態において、同じ電力使用量で得られるトルクが大きくなる。
【００４８】
（８）ロータコア１５の端部がステータ１８の端部から突出する長さは、コイルエンド２０ａがステータ１８の端面から突出する長さ以下に設定されている。したがって、ハウジング１１の体格を大きくすることなく実施することができる。
【００４９】
（９）ロータコア１５が基準位置に配置された状態において、ロータコア１５の表面（外周面）とステータ１８の内面との距離は、第２端部側の距離が第１端部側の距離より小さくなるようにロータ１２及びステータ１８が形成されている。したがって、前記距離は安全率が高すぎる大きさより小さくでき、トルクの低下が抑制される。
【００５０】
（第３の実施形態）
次に第３の実施形態を図５にしたがって説明する。この実施形態では、ロータコア１５及びステータ１８の形状が第１の実施形態と異なっており、その他の構成は第１の実施形態と同様である。第１の実施形態と同様の部分は同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００５１】
図５（ａ）に示すように、ロータコア１５は、中心軸を含む平面と外周面との交線が内側に凸の曲線となる形状に形成されている。そして、ロータコア１５の表面に設けられた永久磁石１６は、ロータ１２の中心軸を含む平面と永久磁石１６の外周面との交線が内側に凸の曲線となる形状に形成されている。また、ステータ１８は、中心軸を含む平面と外周面との交線がロータコア１５側に凸の曲線となる形状に形成されている。例えば、ロータコア１５の外周面との交線である前記曲線は、外径が軸方向の長さの３次式で表された曲線になるように設定されている。
【００５２】
保護部材１７に作用する遠心力Ｆは、Ｆ＝ｍω２ｒで表される。即ち、同じ質量及び同じ回転速度であれば、遠心力は半径ｒに比例する。そして、筒状の保護部材１７は、外径が第１端部側から第２端部側に向かって次第に小さくなるように形成されているため、第１端部側ほど大きな遠心力を受ける。また、保護部材１７の軸方向の単位長さ当たりにおける環状部の質量ｍは、ｍ＝２πｒρで表される。但し、ρは比重である。したがって、環状部の質量ｍも半径に比例し、第１端部側ほど環状部の質量ｍが大きくなる。また、保護部材１７の軸方向の単位長さにおける環状部の周長Ｌｃは、２πｒで表されるため、環状部の周長Ｌｃも半径に比例し、第１端部側ほど環状部の周長Ｌｃが大きくなる。ヤング率が同じで応力も同じであれば、環状部の伸び量は周長Ｌｃに比例して増加する。以上のことから、ロータ１２の高速回転に伴って保護部材１７に発生する径方向の伸び量は、半径ｒの３乗に比例することになる。
【００５３】
したがって、ロータ１２の高速回転時に、保護部材１７の伸びに伴って保護部材１７がステータ１８と干渉する状態になるのを回避するために、図５（ｂ）に示すように、ロータ１２を移動させた場合、同じ移動量であっても、ロータコア１５の第２端部側及び第１端部側の保護部材１７とステータ１８のギャップをより小さくすることができる。その結果、ロータコア１５の表面と、ステータ１８の内面との距離の増大に伴うトルクの低減をより抑制することができる。
【００５４】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  ロータ１２を軸方向へ相対移動させる予め設定された回転速度は、ロータ１２の移動を行わない場合に弱め界磁が必要になる回転速度に限らない。例えば、ロータ１２の移動を行わない場合に弱め界磁が必要になる回転速度より低速度を予め設定された回転速度としてもよい。予め設定された回転速度は、ロータ１２を軸方向に移動させずにその回転速度より大きな回転速度でロータ１２を回転させると、保護部材１７の伸び量が、保護部材１７がステータ１８と干渉する状態になる回転速度に設定されるため、保護部材１７のヤング率や保護部材１７の外径等によっても適正な回転速度は異なる状態になる。そして、保護部材１７の材料や大きさによっては、ロータ１２の回転速度が
弱め界磁が必要になる回転速度より低速度で、保護部材１７の伸び量が保護部材１７とステータ１８とが干渉する状態になる場合もある。したがって、前記回転速度の設定は、保護部材１７の材料や大きさによって適正値が変わる。また、前記回転速度を零に設定し、ロータ１２が回転されるとロータ１２の移動を開始するようにしてもよい。
【００５５】
○  電動機１０は、ロータコア１５の第１端部が上側になり、かつ回転軸１３が上下方向に延びる状態で使用されるものに限らない。例えば、ロータコア１５の第１端部が下側になるように構成したり、回転軸１３が水平方向に延びる状態で使用されたり、回転軸１３が斜め方向に延びる状態で使用されたりする構成としてもよい。
【００５６】
○  ロータ１２をロータ１２の軸方向に沿ってステータ１８に対して相対移動させるように駆動する駆動手段２１は、ロータ１２を移動させる構成に代えて、ステータ１８を軸方向に移動させる構成としたり、ロータ１２及びステータ１８の両者を移動させる構成としたりしてもよい。しかし、ロータ１２を駆動させる構成の方が、回転電機の大型化を抑制する点で好ましい。
【００５７】
○  保護部材１７を構成する繊維強化樹脂の強化繊維は炭素繊維に限らず、要求される物性に対応して、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維、ガラス繊維等の無機繊維やポリアラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の有機繊維を使用してもよい。
【００５８】
○  未硬化の熱硬化樹脂が含浸された繊維をフィラメントワインディングにより磁石の外周に巻き付けた後、加熱硬化させることにより保護部材１７を形成する場合、保護部材１７施されていないロータコア１５の両端部を、ピンが周方向に一定ピッチで突設された治具に固定する。そして、ロータコア１５をその治具を介してフィラメントワインディング装置に取り付けて、繊維の巻き付けを行い、加熱硬化後に不要な部分を切断除去するようにしてもよい。この場合、外径が軸方向に変化するロータコア１５に対する繊維の巻き付けを容易に行うことができる。
【００５９】
○  保護部材１７の材料は繊維強化樹脂に限らず、非磁性材の金属（例えば、ステンレス鋼）製とし、金属製の筒状体を保護部材１７施されていないロータコア１５にビーム溶接で固定したり、焼き嵌めで固定したりしてもよい。
【００６０】
○  制御装置２６は、電動機１０に設けられた構成に限らず、電動機１０を制御するインバータ装置の制御部に設け、インバータ装置の制御部が駆動手段２１を制御する制御装置２６の機能を備えた構成としてもよい。
【００６１】
○  電動機１０は、永久磁石１６が６個で、ティース１９の数が１２の組合せに限らず、永久磁石１６の数が偶数であればよく、例えば、永久磁石１６が４個（４極）でティース１９の数を１２としたり、永久磁石１６が４個（４極）でティース１９の数を６としたり、永久磁石１６が６個でティース１９の数を１８としたりしてもよい。また、ティース１９の数は偶数に限らず奇数であってもよい。
【００６２】
○  制御装置２６は、ロータ１２をロータ１２の軸方向に沿ってステータ１８に対して相対移動させる際、必ずロータの回転速度の増加に伴って、永久磁石の外周面と、ステータの内周面との距離の増大分が大きくなるように駆動手段を制御することに限らない。例えば、回転速度が低速の範囲では、回転速度の増加に伴って前記距離の増大分が一定の範囲があってもよい。また、第２の実施形態のように、ロータコア１５の基準位置においてロータコア１５の第２端部がステータ１８の第２端部から突出する構成の場合、突出する部分の一部を径が一定の形状のロータコア１５を使用するとともに、永久磁石１６もその表面形状に合わせた形状にしてもよい。この場合は、ロータ１２をロータ１２の軸方向に移動させる際、移動開始後、しばらくは、ステータ１８の第２端部の部分におけるステータ１８の内周面と永久磁石１６の外周面との距離が一定になる。
【００６３】
○  永久磁石１６は、隣接する永久磁石１６との間に隙間を設けずに、互いに接した状態でロータコア１５の表面に貼り付けられてもよい。
○  ステータ１８は、環状で内側がほぼ円形であればよく、外形は円形である必要はなく、ハウジング１１断面形状に合わせて、外形を四角形などの多角形形状としてもよい。
【００６４】
○  電動機１０に限らず発電機に適用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の発明において、前記ロータコアの軸方向の長さは前記ステータの軸方向の長さより長く形成され、前記ロータコアが基準位置に配置された状態において、前記ロータコアの第２端部が前記ステータの第２端部から突出する状態に配置されるとともに、前記ロータコアが基準位置から最も移動された状態においても、前記ステータの内周面が前記ロータコアの外周面と対応するように形成されている。
【００６５】
（２）請求項１〜請求項７及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記ロータコアが基準位置に配置された状態において、前記ロータコアの表面と前記ステータの内面との距離は、前記第２端部側の距離が第１端部側の距離より小さくなるように前記ロータ及び前記ステータが形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】（ａ）は第１の実施形態における電動機の構成図、（ｂ）はステータ及びロータの関係を示す模式図。
【図２】（ａ）はロータコアが基準位置に存在する状態におけるステータとの位置関係を示す模式断面図、（ｂ）はロータコアが移動した場合の位置関係を示す模式断面図。
【図３】（ａ）は保護部材の小径側と大径側の伸びを示す模式図、（ｂ）はステータの移動量と回転速度との関係を示すグラフ。
【図４】（ａ），（ｂ）は第２の実施形態における図２（ａ），（ｂ）に対応する模式断面図。
【図５】（ａ），（ｂ）は第３の実施形態における図２（ａ），（ｂ）に対応する模式断面図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は従来技術における磁石への単繊維の巻き付け状態を示す模式斜視図。
【図７】別の従来技術の回転界磁形交流発電機の断面図。
【符号の説明】
【００６７】
１０…電動機、１２…ロータ、１５…ロータコア、１６…永久磁石、１７…保護部材、１８…ステータ、２１…駆動手段、２６…制御手段としての制御装置。
【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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