特開 2024-113840 回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024113840

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02P 25/02 20160101AFI20240816BHJP

   H02K 16/02 20060101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

H02P25/02

H02K16/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023019076

(22)【出願日】2023-02-10

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】難波 雅史

(72)【発明者】

【氏名】北山 武志

(72)【発明者】

【氏名】阿久根 亮

(72)【発明者】

【氏名】服部 宏之

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505AA16

5H505CC04

5H505DD08

5H505DD10

5H505EE07

5H505EE41

5H505EE48

5H505EE55

5H505JJ17

5H505LL39

5H505LL41

5H505LL58

(57)【要約】

【課題】膨大な電流マップを用いることなくロータの位相差角を制御できる回転電機を提供する。
【解決手段】第１ロータ１６に対して第２ロータ１８を相対的に回動させることによって第１ロータ１６に設けられた磁極と第２ロータ１８に設けられた磁極との位相差を変更可能であり、第１ロータ１６と第２ロータ１８の位相差が第１の位相差であり、当該第１の位相差に固定された第１ロック状態、第１ロータ１６と第２ロータ１８の位相差が第１の位相差と異なる第２の位相差であり、当該第２の位相差に固定された第２ロック状態、第１ロータ１６に対して第２ロータ１８を回動させて、第１ロック状態と第２ロック状態との間で位相差を変化させるロック解除状態、の状態毎にステータ１２に供給するステータ電流を切り替えて制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステータと、前記ステータに対向して配置されたロータと、を備える回転電機であって、
前記ロータは、回転軸に固定された第１ロータと、前記回転軸の軸方向に沿って前記第１ロータと分割され、前記回転軸を回転中心として前記第１ロータに対して相対的に回動可能な第２ロータと、
を備え、
前記第１ロータに対して前記第２ロータを相対的に回動させることによって前記第１ロータに設けられた磁極と前記第２ロータに設けられた磁極との位相差を変更可能であり、
前記第１ロータと前記第２ロータの前記位相差が第１の位相差であり、当該第１の位相差に固定された第１ロック状態、
前記第１ロータと前記第２ロータの前記位相差が前記第１の位相差と異なる第２の位相差であり、当該第２の位相差に固定された第２ロック状態、
前記第１ロータに対して前記第２ロータを回動させて、前記第１ロック状態と前記第２ロック状態との間で前記位相差を変化させるロック解除状態、
の状態毎に前記ステータに供給するステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機であって、
出力トルク及び回転数に応じて前記第１ロック状態、前記第２ロック状態及び前記ロック解除状態の状態毎に定められた電流条件に前記ステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の回転電機であって、
前記第１ロック状態は、前記第１ロータの磁極と前記第２ロータの磁極の位相が一致した同極状態であり、
前記第２ロック状態は、前記第１ロータの磁極と前記第２ロータの磁極の位相が反転した逆極状態であり、
前記ロック解除状態は、前記回転軸に対して前記第２ロータが相対的に回動可能であり、前記同極状態から前記逆極状態へ遷移させる第１遷移状態と、前記回転軸に対して前記第２ロータが相対的に回動可能であり、前記逆極状態から前記同極状態へ遷移させる第２遷移状態と、であり、
前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態のいずれの状態であるかに応じて前記ステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。

【請求項4】

請求項３に記載の回転電機であって、
前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態の状態毎に出力トルク及び回転数に対して定められた電流条件を示すデータベースを参照して、
前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態の状態毎に出力トルク及び回転数に応じて定められた電流に前記ステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記第１ロック状態、前記第２ロック状態、前記ロック解除状態のいずれかを検出するためのセンサを備え、
前記センサの検出結果に応じて前記ステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車等の移動体の駆動用モータには、小型・高効率と同時に、広い運転範囲が求められる。低速時のトルク増加による小型化のため、強力な磁石をロータに用いるなど、ロータの起磁力増加が行われている。しかしながら、起磁力の高いロータを用いた場合、高速走行時には弱め磁束制御が必要であり、当該制御に伴う電流の増加によりモータ効率が低下することが懸念される。

【0003】

そこで、運転状況に合わせてロータの起磁力を可変にするために、ロータを軸方向に分割したモータ構造が提案されている（特許文献１～５）。低速でトルクが必要な場合、軸方向の磁極の向きを揃え（同極：Ｎ極とＮ極及びＳ極とＳ極を揃えた状態）、起磁力を増加させる。高速で起磁力を抑制したい場合、軸方向の磁極の向きを変化させる（逆極：Ｎ極とＳ極を揃えた状態）。以下、磁極が揃った状態を「同極」、磁極が反対向きになった状態を「逆極」と示す。

【0004】

ステータに流す電流によって同極と逆極との間を遷移させる技術が開示されている。例えば、ステータの電気角を進角にすることでロータの相対回転角（位相差角）を変化させる技術が開示されている（特許文献１）。また、ステータコイルの電流をベクトル制御することでロータの相対回転角（位相差角）を変化させる技術が開示されている（特許文献２）。さらに、電流指令値に基づいてロータの相対回転角（位相差角）を変化させる技術が開示されている（特許文献３）。このとき、電流マップを利用してステータに流す電流を制御してロータの位相差角を変化させる。

【0005】

また、電圧を重畳して推定したインダクタンスからロータの位相差角を推定し、ロータに配置するセンサの数を低減させた技術が開示されている（特許文献４）。また、角速度とロックの解除からの経過時間を利用してロータの位相差角を演算する技術が開示されている（特許文献５）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００９－０３８８６０号公報

【特許文献2】特開２０１４－２０４５１７号公報

【特許文献3】特開２０１６－１３５０３１号公報

【特許文献4】特開２００９－２５４０７９号公報

【特許文献5】特開２０１５－１７７６４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１の技術では、具体的な電流制御の方法が記載されていない。また、特許文献２及び３の技術では、ロータの位相差角毎に膨大な電流マップを用意する必要があり、当該電流マップを記憶させておくためにモータ制御用のＥＣＵのメモリ容量が大量に消費されてしまうという問題がある。また、特許文献４及び５の技術では、ロータの位相差角を検知するセンサの数は低減できるが、電流マップを利用した制御に変わりはなくメモリ容量を大量に必要とする。さらに、位相差角情報に応じて逐一制御電流を切り替える必要があるため、制御遅れなどの無いシビアな応答性が求められる。

【0008】

さらに、上記特許文献では、ロータの位相差角を調整する際に回転電機から出力されるトルクについて言及されておらず、又は、言及されていても出力トルクを０に制御しながらの回動制御のみが考慮されている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の１つの態様は、ステータと、前記ステータに対向して配置されたロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、回転軸に固定された第１ロータと、前記回転軸の軸方向に沿って前記第１ロータと分割され、前記回転軸を回転中心として前記第１ロータに対して相対的に回動可能な第２ロータと、を備え、前記第１ロータに対して前記第２ロータを相対的に回動させることによって前記第１ロータに設けられた磁極と前記第２ロータに設けられた磁極との位相差を変更可能であり、前記第１ロータと前記第２ロータの前記位相差が第１の位相差であり、当該第１の位相差に固定された第１ロック状態、前記第１ロータと前記第２ロータの前記位相差が前記第１の位相差と異なる第２の位相差であり、当該第２の位相差に固定された第２ロック状態、前記第１ロータに対して前記第２ロータを回動させて、前記第１ロック状態と前記第２ロック状態との間で前記位相差を変化させるロック解除状態、の状態毎に前記ステータに供給するステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機である。

【0010】

ここで、出力トルク及び回転数に応じて前記第１ロック状態、前記第２ロック状態及び前記ロック解除状態の状態毎に定められた電流条件に前記ステータ電流を切り替えて制御することが好適である。

【0011】

また、前記第１ロック状態は、前記第１ロータの磁極と前記第２ロータの磁極の位相が一致した同極状態であり、前記第２ロック状態は、前記第１ロータの磁極と前記第２ロータの磁極の位相が反転した逆極状態であり、前記ロック解除状態は、前記回転軸に対して前記第２ロータが相対的に回動可能であり、前記同極状態から前記逆極状態へ遷移させる第１遷移状態と、前記回転軸に対して前記第２ロータが相対的に回動可能であり、前記逆極状態から前記同極状態へ遷移させる第２遷移状態と、であり、前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態のいずれの状態であるかに応じて前記ステータ電流を切り替えて制御することが好適である。

【0012】

また、前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態の状態毎に出力トルク及び回転数に対して定められた電流条件を示すデータベースを参照して、前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態の状態毎に出力トルク及び回転数に応じて定められた電流に前記ステータ電流を切り替えて制御することが好適である。

【0013】

また、前記第１ロック状態、前記第２ロック状態、前記ロック解除状態のいずれかを検出するためのセンサを備え、前記センサの検出結果に応じて前記ステータ電流を切り替えて制御することが好適である。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、膨大な電流マップを用いることなく、かつ、位相差角情報を必要としない電流制御により、ロータの位相差角を制御できる回転電機を提供することができる。また、ロータの位相差角を調整する際の出力トルクを一定に維持した回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の形態における回転電機システムの構成を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態におけるロータの構成を示す断面図である。

【図3】本発明の実施の形態におけるロータの構成を示す断面斜視図である。

【図4】本発明の実施の形態におけるロータの作用を説明する断面図である。

【図5】本発明の実施の形態におけるロータの作用を説明する断面斜視図である。

【図6】本発明の実施の形態における伝達プレートの構成を示す図である。

【図7】同極のロック状態で使用される電流マップの例を示す図である。

【図8】同極から逆極へ遷移する第１遷移状態で使用される電流マップの例を示す図である。

【図9】逆極のロック状態で使用される電流マップの例を示す図である。

【図10】逆極から同極へ遷移する第２遷移状態で使用される電流マップの例を示す図である。

【図11】電流制御の例における状態毎の電流条件を示す図である。

【図12】電流制御の例における電流、ピストン位置及び位相差角の時間的な変化を示す図である。

【図13】電流制御の例における位相差角と回動トルクの関係を示す図である。

【図14】電流制御の例における電流実効値と出力トルクの時間的な変化を示す図である。

【図15】電流制御の別例における電流、ピストン位置及び位相差角の時間的な変化を示す図である。

【図16】電流制御の別例における電流実効値と出力トルクの時間的な変化を示す図である。

【図17】電流制御の別例における電流、ピストン位置及び位相差角の時間的な変化を示す図である。

【図18】電流制御の別例における電流実効値と出力トルクの時間的な変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施の形態における回転電機システム１００は、図１に示すように、回転電機１０２、駆動回路１０４、電源１０６及び制御装置１０８を含んで構成される。回転電機システム１００は、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等に搭載される。回転電機システム１００は、駆動力を発生させるモータとして使用可能であると共に、発電機、モータ及び発電機の両方の機能をもつモータジェネレータとしても使用可能である。

【0017】

回転電機１０２は、筐体１０、ステータ１２、回転軸１４、第１ロータ１６、第２ロータ１８、ロック機構２０、軸受２２及びロック駆動機構２４を含んで構成される。なお、軸受２２を設けず、回転軸１４に対して第２ロータ１８を摺動させるような構成としてもよい。

【0018】

回転電機１０２は、制御装置１０８に制御される駆動回路１０４によって、電源１０６から供給される電力を用いて回転軸１４に対して駆動力を発生させる。また、回転軸１４に与えられた回転エネルギーを駆動回路１０４によって電力に変換して電源１０６へ回生させる。駆動回路１０４は、電源１０６からの電力を交流に変換するインバータを含んで構成することができる。電源１０６は、例えば二次電池を含む蓄電システムを含んで構成することができる。

【0019】

筐体１０は、回転電機１０２を機械的に支持するための構成である。筐体１０内に、ステータ１２、回転軸１４、第１ロータ１６、第２ロータ１８、ロック機構２０、軸受２２及びロック駆動機構２４が収納される。

【0020】

ステータ１２は、ステータコアとステータコイルを備える。ステータコアは、電磁鋼板を回転軸１４の軸方向に積層した積層体からなる中空円筒形状の部材である。ただし、ステータコアを構成する材料は、電磁鋼板に限定されるものではなく、アモルファス金属、ナノ結晶軟磁性材料、圧粉磁芯等の磁性体とすることができる。ステータコイルは、ステータコアの内周面に設けられた複数のスロットに配置されたコイルである。駆動回路１０４を介して電源１０６からステータコイルに電流を流すことによって、ステータコイルに磁場を発生させることができる。

【0021】

回転軸１４には、第１ロータ１６及び第２ロータ１８が軸方向に沿って間隔をおいて配置される。本実施の形態における回転電機システム１００では、２つに分割された第１ロータ１６ａ，１６ｂの間に第２ロータ１８が配置される。ただし、第１ロータ１６及び第２ロータ１８は、３分割構造に限定されるものではなく、軸方向に分割されて互いに相対的に回動できる構造であればよい。

【0022】

第１ロータ１６ａ，１６ｂは、回転軸１４に固定されている。また、第２ロータ１８は、回転軸１４に対して回転方向において移動可能に設置されている。すなわち、第２ロータ１８は、回転軸１４に対して相対的に回転可能とされている。例えば、第２ロータ１８は、軸受２２を介して回転軸１４に取りつけられており、軸受２２によって回転軸１４に対して回転可能とされている。

【0023】

第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）は、回転軸１４に固定される基部と、基部の外周側に電磁鋼板を軸方向に積層した積層体を備える。ただし、積層体を構成する材料は、電磁鋼板に限定されるものではなく、アモルファス金属、ナノ結晶軟磁性材料、圧粉磁芯等の磁性体とすることができる。

【0024】

第２ロータ１８は、電磁鋼板を軸方向に積層した積層体を備える。ただし、積層体を構成する材料は、電磁鋼板に限定されるものではなく、アモルファス金属、ナノ結晶軟磁性材料、圧粉磁芯等の磁性体とすることができる。

【0025】

本実施の形態では、図２の断面模式図に示すように、第１ロータ１６及び第２ロータ１８には周方向に沿って等間隔に磁石３０が配置される。磁石３０は、例えば、４５°置きに交互にＮ極とＳ極とが入れ替わるように８極の磁石３０が配置される。なお、図２では代表的に第２ロータ１８を示しており、磁石３０の磁極の方向をそれぞれＳ極からＮ極に向かう矢印で示している。第１ロータ１６についても磁石３０の配置は同様である。ただし、図２の断面模式図は磁石３０の配置の一例を示したものであり、磁石３０の配置はこれに限定されるものではない。

【0026】

さらに、図１に示すように、第２ロータ１８には、回転軸１４に対して固定できるようにロック機構２０が設けられる。本実施の形態では、第２ロータ１８と回転軸１４との間にロック機構２０が設けられる。ロック機構２０は、回転軸１４内に設けられたロック駆動機構２４によって駆動される。

【0027】

図３に示すように、回転電機システム１００の通常の運転時は、ロック機構２０によって第２ロータ１８を回転軸１４に対して回転しないような状態として、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８の両方が回転軸１４の回転に寄与する状態とする。一方、界磁調整時は、ロック機構２０を開放して、回転軸１４を回転中心として第２ロータ１８を回転可能として、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に対して第２ロータ１８を相対的に回転させ、周方向の位置を調整することで、ロータ全体としての界磁を調整することができる。

【0028】

このような構成において、ロック機構２０を結合状態として回転軸１４に対して第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８が回転しない状態（ロック状態）でステータ１２のステータコイルに電流を流して回転磁界を形成することでステータ１２に対して回転軸１４を回転させる出力トルクを発生させることができる。また、逆に、回転軸１４の回転エネルギーをステータ１２のステータコイルに流れる電流に変換して回生させることができる。

【0029】

また、ロック機構２０を開放状態して回転軸１４に対して第２ロータ１８が回転可能な状態（ロック解放状態）でステータ１２のステータコイルに流す電流を制御することで、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）から回転軸１４へ出力トルクを発生させつつ、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８との磁極の相対位相角（位相差角）を調整することができる。なお、ステータ１２のステータコイルに流す電流はいわゆるベクトル制御することが好適である。

【0030】

以下、第１ロータ１６ａ及び第１ロータ１６ｂのＮ極と第２ロータ１８のＮ極が軸方向に沿って揃い、第１ロータ１６ａ及び第１ロータ１６ｂのＳ極と第２ロータ１８のＳ極が軸方向に沿った状態を同極という。また、第１ロータ１６ａ及び第１ロータ１６ｂのＮ極と第２ロータ１８のＳ極が軸方向に沿って揃い、第１ロータ１６ａ及び第１ロータ１６ｂのＳ極と第２ロータ１８のＮ極が軸方向に沿った状態を逆極という。

【0031】

なお、本実施の形態において、同極のロック状態が第１ロック状態に該当し、逆極のロック状態が第２ロック状態に該当する。ただし、第１ロック状態は、同極の状態に限定されるものではなく、第１ロータ１６と第２ロータ１８とが所定の第１の位相差であればよい。また、第２ロック状態は、逆極の状態に限定されるものではなく、第１ロータ１６と第２ロータ１８とが第１の位相差とは異なる第２の位相差であればよい。第１ロック状態から第２ロック状態へ遷移する状態が第１遷移状態、及び、第２ロック状態から第１ロック状態へ遷移する状態が第２遷移状態に該当する。第１遷移状態及び第２遷移状態は、第１ロータ１６と第２ロータ１８の位相差角がロックされていないロック解除状態に該当する。

【0032】

図２～図６を参照して、ロック機構２０及びロック駆動機構２４の具体的な構成について説明する。ロック機構２０は、ピン３２、伝達プレート３４及びハブ３６を含んで構成される。また、ロック駆動機構２４は、回動ロックシャフト３８を含んで構成される。

【0033】

回転軸１４は、第１ロータ１６及び第２ロータ１８の回転の軸方向に延びる中空領域１４ａを有する。回動ロックシャフト３８は、ロック機構２０に含まれるピン３２が挿入されるピン孔３８ａを備えた円柱形状を有する。回動ロックシャフト３８は、回転軸１４の中空領域１４ａにおいて第２ロータ１８の内周領域に該当する領域に配置される。回動ロックシャフト３８は、アクチュエータ等の外部からの駆動力によって回転軸１４の軸方向（図３中の矢印方向）に移動可能に設けられる。

【0034】

ピン３２は、回動ロックシャフト３８に設けられたピン孔３８ａに挿入される。回動ロックシャフト３８を回転軸１４の軸方向に移動させると、回動ロックシャフト３８と共にピン３２も軸方向に移動する。

【0035】

伝達プレート３４は、回転軸１４と第２ロータ１８とをロック状態にすると共に、回転軸１４と第２ロータ１８との間で動力を伝達するために設けられる部材である。伝達プレート３４は、図６に示すように、板状の部材である。伝達プレート３４は、回動ロックシャフト３８の中心軸を通って径方向に亘って設けられた貫通穴３８ｂ内に配置される。伝達プレート３４は、貫通穴３８ｂ内において回転軸１４（回動ロックシャフト３８）の径方向に移動可能である。

【0036】

伝達プレート３４には、図６に示すように、ピン３２を通すための誘導穴３４ａが設けられる。誘導穴３４ａは、伝達プレート３４が回動ロックシャフト３８の貫通穴３８ｂに配置されたときに、回転軸１４の軸方向及び径方向の両方に対して斜めの方向に沿って設けられる。回動ロックシャフト３８と共に移動するピン３２が誘導穴３４ａに通された状態において回動ロックシャフト３８と共にピン３２が軸方向に移動した場合、伝達プレート３４は図６の移動方向と示した矢印の方向に誘導される。

【0037】

ハブ３６は、円筒形状を有する部材である。ハブ３６は、回転軸１４と第２ロータ１８のコアとの間に配置される。ハブ３６の外周は第２ロータ１８の内周と係合するように構成され、ハブ３６は第２ロータ１８と一体に回転する。

【0038】

ハブ３６の内周面には、伝達プレート３４の両端がそれぞれ嵌まり込むことができるハブ溝３６ａが設けられる。ハブ溝３６ａは、第１ロータ１６ａ及び第１ロータ１６ｂに対して第２ロータ１８が同極となる状態において伝達プレート３４の一端が嵌まり込む位置、及び、第１ロータ１６ａ及び第１ロータ１６ｂに対して第２ロータ１８が逆極となる状態において伝達プレート３４の他端が嵌まり込む位置に設けられる。

【0039】

ハブ３６の内周面には、さらに回動範囲を規制するハブ溝３６ｂが設けられる。ハブ溝３６ｂには回転軸１４の外周に設けられた突起（キー部）１４ｃが嵌まり、ハブ溝３６ｂ内において突起１４ｃが動ける範囲において回転軸１４に対する第２ロータ１８の回動範囲が規制される。

【0040】

以下、図４～図６を参照して、本実施の形態におけるロック機構２０及びロック駆動機構２４の作用を説明する。ここでは、ロック機構２０及びロック駆動機構２４を用いて、回転電機システム１００を同極から逆極にする場合の作用について説明する。

【0041】

図４は、回転軸１４の軸方向に対して垂直な面における第２ロータ１８の断面を示している。図４（ａ）は同極のロック状態、図４（ｂ）は同極から逆極への回動中、図４（ｃ）は逆極のロック状態を示している。図５は、第２ロータ１８の内部構造を示す部分断面斜視図である。図５（ａ）は同極のロック状態、図５（ｂ）は同極から逆極への回動中、図５（ｃ）は逆極のロック状態を示している。

【0042】

図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、回転電機システム１００が同極のとき、ピン３２が誘導穴３４ａの一端（図５（ａ）において下側の端部）に位置するように回動ロックシャフト３８に外力が与えられる。誘導穴３４ａに通されたピン３２によって、伝達プレート３４の一端をハブ３６の内周面へ押し上げる（図４及び図５において上向き）。

【0043】

同極のロック状態では、伝達プレート３４がハブ３６の内周面側に押し付けられることによって、伝達プレート３４の当該一端（図４（ａ）及び図５（ａ）において上端）がハブ３６のハブ溝３６ａに嵌合した状態となる。また、回転軸１４に設けられた突起１４ｃはハブ３６のハブ溝３６ｂ内の一端に当接した状態となる。

【0044】

回転電機システム１００がモータとして力行動作している場合、第１ロータ１６及び第２ロータ１８は正転方向（図４（ａ）においてＣＣＷ方向）に回転し、当該正転方向にトルクを出力する。同極ロック状態において力行動作時には、ハブ３６のハブ溝３６ｂ内の一端に当接した回転軸１４の突起１４ｃによって第２ロータ１８の力行トルクが回転軸１４に伝達される。すなわち、力行動作状態では、伝達プレート３４の端部には力行トルクは印加されていない。一方、回転電機システム１００がジェネレータとして回生動作している場合、第１ロータ１６及び第２ロータ１８は正転方向に回転し、回生トルクを逆転方向（図４（ａ）においてＣＣＷ方向とは逆方向）に出力する。このような回生動作状態では、ハブ３６に設けられたハブ溝３６ａに嵌合した伝達プレート３４の端部によって第２ロータ１８の回生トルクが回転軸１４に伝達される。

【0045】

次に、同極から逆極にするために第２ロータ１８を回動状態にする。外力により回動ロックシャフト３８を移動させる（図５（ａ）の矢印方向）と、回動ロックシャフト３８と共にピン３２も移動し、誘導穴３４ａの斜面にしたがって伝達プレート３４が押し下げられる（図４及び図５において下向き）。これに伴って伝達プレート３４の端部がハブ溝３６ａから外れ、第２ロータ１８と回転軸１４のロックが解除される。したがって、第２ロータ１８の回動に必要な回動トルクの増加を抑制することができる。

【0046】

この状態において、ステータ１２のステータコイルに流す電流を制御することで、第２ロータ１８を回動させるためのトルク（回動トルク）を与える。これによって、図４（ｂ）に示すように、第２ロータ１８の回動動作が開始される。

【0047】

なお、回転電機システム１００がモータとして力行動作しているときに同極ロック状態から回動状態へ遷移させれば、回転軸１４の突起１４ｃによって第２ロータ１８のトルクが回転軸１４に伝達され、伝達プレート３４の端部によってトルクが伝達されていない状態において回動状態へ遷移させることができる。すなわち、ロック解除の際に伝達プレート３４がハブ３６のハブ溝３６ａから押されておらず、ロック解除に必要な力を増加させない。押される場合は、当接面で摩擦が発生して、ロック解除に必要な力が増加する。したがって、回動ロックシャフト３８の軸方向に沿った移動に必要な外力の増加を抑制することができる。

【0048】

回動動作を続けると、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、伝達プレート３４が斜面３６ｄから外れた状態となる。このとき、伝達プレート３４の両端は、ハブ３６に設けられたハブ溝３６ｃの内面には接触せず、回転軸１４と伝達プレート３４との相対的な回動に対する伝達プレート３４による機械的な抵抗はない。

【0049】

回動動作を続けると、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、第２ロータ１８が逆極の位置まで回動され、ハブ３６に設けられた別のハブ溝３６ａが伝達プレート３４の位置まで移動する。また、押され続けた回動ロックシャフト３８と共にピン３２が移動し、ピン３２が誘導穴３４ａの一端（図５（ｃ）において上側の端部）に位置する。すなわち、誘導穴３４ａに通されたピン３２によって、伝達プレート３４の一端をハブ３６の内周面へ押し下げる（図４及び図５において下向き）。

【0050】

逆極のロック状態では、伝達プレート３４がハブ３６の内周面側に押し付けられることによって、伝達プレート３４の当該一端（図４（ｃ）及び図５（ｃ）において下端）がハブ３６のハブ溝３６ａに嵌合した状態となる。また、回転軸１４に設けられた突起１４ｃはハブ３６のハブ溝３６ｂ内において同極ロック状態のときと反対側の一端に当接した状態となる。

【0051】

回転電機システム１００がモータとして力行動作している場合、第１ロータ１６及び第２ロータ１８は正転方向（図４（ｃ）においてＣＣＷ方向）に回転し、当該正転方向にトルクを出力する。逆極ロック状態において力行動作時には、ハブ３６に設けられたハブ溝３６ａに嵌合した伝達プレート３４の端部によって第２ロータ１８の力行トルクが回転軸１４に伝達される。一方、回転電機システム１００がジェネレータとして回生動作している場合、第１ロータ１６及び第２ロータ１８は正転方向に回転し、回生トルクを逆転方向（図４（ｃ）においてＣＣＷ方向とは逆方向）に出力する。このとき、ハブ３６のハブ溝３６ｂ内の一端に当接した回転軸１４の突起１４ｃによって第２ロータ１８の回生トルクが回転軸１４に伝達される。すなわち、回生動作状態では、伝達プレート３４の端部には回生トルクは印加されていない。

【0052】

なお、ロック機構２０及びロック駆動機構２４を用いて、逆極状態から同極状態へ遷移させる場合には逆の操作を行えばよい。このとき、回転電機システム１００が回生動作しているときに逆極ロック状態から回動状態へ遷移させれば、回転軸１４の突起１４ｃとハブ３６のハブ溝３６ｂによってトルクが伝達され、伝達プレート３４の端部によってトルクが伝達されていない状態において回動状態へ遷移させることができる。すなわち、伝達プレート３４がハブ３６のハブ溝３６ａから押されておらず、ロック解除に必要な力を増加させない。押される場合は、当接面で摩擦が発生して、ロック解除に必要な力が増加する。したがって、回動ロックシャフト３８の軸方向に沿った移動に必要な外力の増加を抑制することができる。

【0053】

以上のように、回転電機システム１００では、回動ロックシャフト３８を軸方向に動かすことによって同極又は逆極のロック状態を解除し、ステータ１２への通電によって回転軸１４に対して第２ロータ１８を相対的に回動させることで同極状態と逆極状態とを相互に遷移させることができる。なお、回転軸１４と第２ロータ１８とのロック機能は、回動ロックシャフト３８を押し続けることによって、ロック機構２０及びロック駆動機構２４以外の外部機構や追加センサを必要とすることなく受動的に行うことが可能である。

【0054】

また、伝達プレート３４を用いたシンプルな構成によってロック状態とロック解除状態を実現することができる。さらに、回動動作中において伝達プレート３４が第２ロータ１８の中心部に配置されるため、回転による遠心力の影響を受け難い構造となっている。

【0055】

また、回転電機システム１００では、第２ロータ１８の内部にロック機構２０及びロック駆動機構２４を配置しており、回動動作はステータ１２への通電によって行うために回転電機システム１００の体積を増加させることなく同極状態と逆極状態を実現することができる。また、ロックのためのスキュー角の検出手段や制御も不要である。

【0056】

なお、回動ロックシャフト３８に対して軸方向に沿って片側から力を印加し続けるためのバネ等の弾性体を回転軸１４の中空部に設けた構成としてもよい。バネ等の弾性体を設けることで、回動ロックシャフト３８に対して片側から外力を印加し続けることが可能になる。これによって、回転電機システム１００の回動ロックシャフト３８を外部から駆動するアクチュエータ等が停止した状態においても同極ロック状態又は逆極ロック状態を維持することが可能になる。

【0057】

回動ロックシャフト３８に対して外力を与える機構に特別なアクチュエータを設けることなく、例えば、ベアリングやギア等に使用する潤滑油の油圧を利用して動作させることもできる。この場合、元々からある潤滑油のポンプが利用できるため、アクチュエータ等の外部から駆動力を与える機構を追加する必要がなく、システム全体を小型にできる。

【0058】

［回転電機システムの制御］
以下、回転電機システム１００における第１ロータ１６及び第２ロータ１８の位相差角を調整するためのステータ１２のステータコイルに流す電流の制御について説明する。

【0059】

本実施の形態における回転電機システム１００では、同極のロック状態、逆極のロック状態、同極から逆極へ遷移する第１遷移状態、逆極から同極へ遷移する第２遷移状態の４つの状態に対してそれぞれ１つの電流マップを用いて、それぞれの運転状態に応じて電流マップを切り替えてステータ１２のステータコイルに流す電流の制御を行う。

【0060】

なお、回動ロックシャフト３８に位置センサを設けて、回動ロックシャフト３８の回転軸方向の位置を検知することによって、回転電機システム１００が４つの状態のいずれかの状態にあることを検知することができる。また、第１ロータ１６又は第２ロータ１８にレゾルバ等を設けることによって、回転電機システム１００が４つの状態のいずれかの状態にあることを検知することができる。ただし、これらの構成及び方法に限定されるものではなく、回転電機システム１００が４つの状態のいずれかの状態にあることを検知できるものであればよい。

【0061】

電流マップは、図７～図１０に示すように、回転電機システム１００の回転数と出力トルクに対してステータ１２のステータコイルに流す電流の条件を示したデータベースである。図７は、同極のロック状態で使用される電流マップ、図８は、同極から逆極へ遷移する第１遷移状態で使用される電流マップ、図９は、逆極のロック状態で使用される電流マップ、図１０は、逆極から同極へ遷移する第２遷移状態で使用される電流マップの例である。

【0062】

電流条件は、電流実効値（Ｉｅ）と電流進角（β）の組み合わせ、又は、ｄ軸電流（ｉｄ）とｑ軸電流（ｉｑ）の組み合わせとする。なお、電流実効値（Ｉｅ）と電流進角（β）の組み合わせと軸電流（ｉｄ）とｑ軸電流（ｉｑ）の組み合わせは数式（１）に関係式で相互に変換可能である。

【数1】

【0063】

電流マップは、回転電機１０２における磁界解析や実機計測によって同極のロック状態、同極から逆極へ遷移する第１遷移状態、逆極のロック状態、逆極から同極へ遷移する第２遷移状態に適した電流条件を導出することで作成することができる。すなわち、回転電機１０２の回転数（回転速度）に対して様々な電流条件を適用したときの出力トルク及び回動トルクを求め、電流を縦軸、電流進角を横軸として出力トルクと回動トルクのマップを生成し、これらのマップから各状態において回転数（回転速度）と出力トルクの組み合わせに対して適した電流条件を求めて電流マップとする。

【0064】

制御装置１０８は、４つの状態における電流マップを記憶する記憶部を備えており、当該電流マップを参照してステータ１２のステータコイルに流す電流の制御を行う。制御装置１０８は、回動ロックシャフト３８の位置を検出するセンサによって回動ロックシャフト３８の位置から第１ロータ１６及び第２ロータ１８が同極のロック状態、逆極のロック状態、同極から逆極へ遷移する第１遷移状態、逆極から同極へ遷移する第２遷移状態のいずれであるかを判定する。そして、判定した現在の状態に対応する電流マップを参照して、回転電機システム１００の回転数と出力トルクに対応する電流条件を読み出す。そして、制御装置１０８は、読み出した電流条件に応じて駆動回路１０４を制御して、ステータ１２のステータコイルに流れる電流を当該電流条件に応じた値に制御する。

【0065】

第１ロータ１６及び第２ロータ１８が同極のロック状態である場合、図７に示すように、回転数と出力トルクとの組み合わせに応じてステータ１２に流す電流の電流条件を電流実効値Ｉ_１及び電流進角β_１として制御を行う。また、第１ロータ１６及び第２ロータ１８を同極から逆極へと回動させる場合、図８に示すように、回転数と出力トルクとの組み合わせに応じてステータ１２に流す電流の電流条件を電流実効値Ｉ_２及び電流進角β_２として制御を行う。第１ロータ１６及び第２ロータ１８が逆極のロック状態である場合、図９に示すように、回転数と出力トルクとの組み合わせに応じてステータ１２に流す電流の電流条件を電流実効値Ｉ_３及び電流進角β_３として制御を行う。また、第１ロータ１６及び第２ロータ１８を逆極から同極へと回動させる場合、図１０に示すように、回転数と出力トルクとの組み合わせに応じてステータ１２に流す電流の電流条件を電流実効値Ｉ_４及び電流進角β_４として制御を行う。

【0066】

すなわち、同極から逆極に回動させたい場合、ステータ１２に流す電流を状態毎に電流実効値Ｉ_１及び電流進角β_１→電流実効値Ｉ_２及び電流進角β_２→電流実効値Ｉ_３及び電流進角β_３と切り替える。また、逆極から同極に回動させたい場合、ステータ１２に流す電流を状態毎に電流実効値Ｉ_３及び電流進角β_３→電流実効値Ｉ_４及び電流進角β_４→電流実効値Ｉ_１及び電流進角β_１と切り替える。

【0067】

以下、第１例として、回転電機１０２の回転数及び出力トルクを一定に維持するように逆極のロック状態→逆極から同極へ遷移する第２遷移状態→同極のロック状態へ状態を遷移させた場合のステータ１２のステータコイルに流す電流の制御例を説明する。

【0068】

図１１は、ステータ１２のステータコイルに流す電流の電流実効値（Ｉｅ）の時間変化、及び、ステータ１２のステータコイルに流す電流の電流進角（β）の時間変化を示す。横軸の時間の経過と共に、ステータ１２に流す電流を電流実効値Ｉ_３及び電流進角β_３→電流実効値Ｉ_４及び電流進角β_４→電流実効値Ｉ_１及び電流進角β_１と切り替えている。

【0069】

図１２は、逆極のロック状態→逆極から同極へ遷移する第２遷移状態→同極のロック状態へ状態を遷移させた場合において、ステータ１２のステータコイルに流れる３相電流の各相の波形、ピストン（回動ロックシャフト３８）の位置、第１ロータ１６と第２ロータ１８との位相差角の時間的な変化の実測結果を示す。また、図１３は、第１ロータ１６と第２ロータ１８の位相差角に対する第２ロータ１８に与えられる回動トルクの変化の解析結果を示す。

【0070】

図１２及び図１３に示すように、ステータ１２のステータコイルに流す電流を状態毎に切り替える制御を行うことによって、逆極のロック状態→ロック解除状態→同極のロック状態と第１ロータ１６と第２ロータ１８の位相差角を遷移させることができている。

【0071】

図１４は、逆極から同極へと遷移させた場合について、図１２に示した電流波形に基づいて算出した電流実効値と回転電機１０２に設けたトルク計で実測した出力トルクの時間的な変動を示す。図１４において、電流マップ作成時に電流条件を導出したトルク指令値を破線で示している。

【0072】

図１４に示すように、状態毎に準備した電流マップを参照して、状態毎にステータ１２のステータコイルに流れる電流を切り替えて制御することによって、回転電機１０２から出力される出力トルクを一定に維持しつつ、第１ロータ１６と第２ロータ１８との関係を逆極から同極へと遷移させることができる。

【0073】

次に、第２例として、回転電機１０２の回転数及び出力トルクを第１例と同じ値に維持しつつ、逆極のロック状態→逆極から同極へ遷移する第２遷移状態→同極のロック状態へ状態を遷移させる際の回動トルクを増加（第１例の２倍）させた場合のステータ１２のステータコイルに流す電流の制御例を説明する。

【0074】

図１５は、逆極のロック状態→逆極から同極へ遷移する第２遷移状態→同極のロック状態へ状態を遷移させた場合において、ステータ１２のステータコイルに流れる３相電流の各相の波形、ピストン（回動ロックシャフト３８）の位置、第１ロータ１６と第２ロータ１８との位相差角の時間的な変化の実測結果を示す。図１６は、逆極から同極へと遷移させた場合について、図１５に示した電流波形に基づいて算出した電流実効値と回転電機１０２に設けたトルク計で実測した出力トルクの時間的な変動を示す。図１６において、電流マップ作成時に電流条件を導出したトルク指令値を破線で示している。

【0075】

回動トルクを増大させた場合、図１５に示すように、第１例に比べて回動中の電流値が増加する。その結果、第１例に比べて逆極から同極への遷移の速度も増加し、遷移状態である時間が短縮されている。また、図１６に示すように、回転電機１０２から出力される出力トルクを一定に維持しつつ、第１ロータ１６と第２ロータ１８との関係を逆極から同極へと遷移させることができる。

【0076】

次に、第３例として、回転電機１０２の回転数は第１例と同じ値とし、出力トルクを第１例より増加（第１例の２倍）させて維持しつつ、逆極のロック状態→逆極から同極へ遷移する第２遷移状態→同極のロック状態へ状態を遷移させた場合のステータ１２のステータコイルに流す電流の制御例を説明する。

【0077】

図１７は、逆極のロック状態→逆極から同極へ遷移する第２遷移状態→同極のロック状態へ状態を遷移させた場合において、ステータ１２のステータコイルに流れる３相電流の各相の波形、ピストン（回動ロックシャフト３８）の位置、第１ロータ１６と第２ロータ１８との位相差角の時間的な変化の実測結果を示す。図１８は、逆極から同極へと遷移させた場合について、図１７に示した電流波形に基づいて算出した電流実効値と回転電機１０２に設けたトルク計で実測した出力トルクの時間的な変動を示す。図１８において、電流マップ作成時に電流条件を導出したトルク指令値を破線で示している。

【0078】

出力トルクを増大させた場合、図１７に示すように、第１例に比べて逆極、回動中、同極のいずれの状態においても電流値が増加する。また、第２例と同じように、第１例に比べて逆極から同極への遷移の速度も増加し、遷移状態である時間が短縮されている。また、図１８に示すように、第１例及び第２例よりも出力トルクは増加しており、回転電機１０２から出力される出力トルクを一定に維持しつつ、第１ロータ１６と第２ロータ１８との関係を逆極から同極へと遷移させることができる。

【0079】

なお、本実施の形態では、回転電機１０２の回転数及び出力トルクを一定に維持しつつ逆極から同極へと状態を遷移させた例について示したが、回転電機１０２の回転数及び出力トルクを一定に維持しつつ同極から逆極へと状態を遷移させる場合についても同様に制御することができる。

【0080】

以上のように、本実施の形態における回転電機システム１００では、第１ロータ１６と第２ロータ１８との位相差角毎に大量の電流マップを設けることなく、ロック状態（第１ロック状態、第２ロック状態）とロック解放状態（第１遷移状態、第２遷移状態）の状態毎に準備した電流マップを参照して、状態毎にステータ１２のステータコイルに流れる電流を切り替えて制御することによって、回転電機１０２から出力される出力トルクを一定に維持しつつ、第１ロータ１６と第２ロータ１８との関係を同極から逆極へと遷移させることができる。

【0081】

［発明の構成］
［構成１］
ステータと、前記ステータに対向して配置されたロータと、を備える回転電機であって、
前記ロータは、回転軸に固定された第１ロータと、前記回転軸の軸方向に沿って前記第１ロータと分割され、前記回転軸を回転中心として前記第１ロータに対して相対的に回動可能な第２ロータと、
を備え、
前記第１ロータに対して前記第２ロータを相対的に回動させることによって前記第１ロータに設けられた磁極と前記第２ロータに設けられた磁極との位相差を変更可能であり、
前記第１ロータと前記第２ロータの前記位相差が第１の位相差であり、当該第１の位相差に固定された第１ロック状態、
前記第１ロータと前記第２ロータの前記位相差が前記第１の位相差と異なる第２の位相差であり、当該第２の位相差に固定された第２ロック状態、
前記第１ロータに対して前記第２ロータを回動させて、前記第１ロック状態と前記第２ロック状態との間で前記位相差を変化させるロック解除状態、
の状態毎に前記ステータに供給するステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。
［構成２］
構成１に記載の回転電機であって、
出力トルク及び回転数に応じて前記第１ロック状態、前記第２ロック状態及び前記ロック解除状態の状態毎に定められた電流条件に前記ステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。
［構成３］
構成１又は２に記載の回転電機であって、
前記第１ロック状態は、前記第１ロータの磁極と前記第２ロータの磁極の位相が一致した同極状態であり、
前記第２ロック状態は、前記第１ロータの磁極と前記第２ロータの磁極の位相が反転した逆極状態であり、
前記ロック解除状態は、前記回転軸に対して前記第２ロータが相対的に回動可能であり、前記同極状態から前記逆極状態へ遷移させる第１遷移状態と、前記回転軸に対して前記第２ロータが相対的に回動可能であり、前記逆極状態から前記同極状態へ遷移させる第２遷移状態と、であり、
前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態のいずれの状態であるかに応じて前記ステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。
［構成４］
構成３に記載の回転電機であって、
前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態の状態毎に出力トルク及び回転数に対して定められた電流条件を示すデータベースを参照して、
前記同極状態、前記逆極状態、前記第１遷移状態及び前記第２遷移状態の状態毎に出力トルク及び回転数に応じて定められた電流に前記ステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。
［構成５］
構成１～４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記第１ロック状態、前記第２ロック状態、前記ロック解除状態のいずれかを検出するためのセンサを備え、
前記センサの検出結果に応じて前記ステータ電流を切り替えて制御することを特徴とする回転電機。

【符号の説明】

【0082】

１０ 筐体、１２ ステータ、１４ 回転軸、１４ａ 中空領域、１４ｃ 突起（キー部）、２０ ロック機構、２２ 軸受、２４ ロック駆動機構、３０ 磁石、３２ ピン、３４ 伝達プレート、３４ａ 誘導穴、３６ ハブ、３６ａ ハブ溝、３６ｂ ハブ溝、３６ｃ ハブ溝、３６ｄ 斜面、３８ 回動ロックシャフト、３８ａ ピン孔、３８ｂ 貫通穴、１００ 回転電機システム、１０２ 回転電機、１０４ 駆動回路、１０６ 電源、１０８ 制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】