特開 2024-58541 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】P2024058541

(43)【公開日】2024-04-25

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/14 20060101AFI20240418BHJP

   H02K 1/276 20220101ALI20240418BHJP

【ＦＩ】

H02K21/14 M

H02K1/276

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023029412

(22)【出願日】2023-02-28

(31)【優先権主張番号】P 2022164775

(32)【優先日】2022-10-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】390029805

【氏名又は名称】ＴＨＫ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000958

【氏名又は名称】弁理士法人インテクト国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100120237

【弁理士】

【氏名又は名称】石橋 良規

(72)【発明者】

【氏名】西出 哲弘

(72)【発明者】

【氏名】兼重 宙

(72)【発明者】

【氏名】角振 正浩

(72)【発明者】

【氏名】咲山 隆

(72)【発明者】

【氏名】野田 大明

(72)【発明者】

【氏名】長浦 正樹

(72)【発明者】

【氏名】新口 昇

(72)【発明者】

【氏名】平田 勝弘

(72)【発明者】

【氏名】山元 郁

【テーマコード（参考）】

5H621

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H621AA03

5H621BB02

5H621BB07

5H621GA01

5H621GA04

5H621HH01

5H621JK08

5H621PP03

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA05

5H622CA10

5H622CB02

5H622CB03

5H622CB05

(57)【要約】

【課題】ステータの引抜量に対するトルク定数の低減率を向上させ、かつ、回転速度領域全体の損失を低減させた高効率な回転電機を提供する。
【解決手段】電機子コイルを巻回したステータコアを有するステータと、前記ステータに対して径方向に所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に、回転軸方向と直交する断面において永久磁石の配置が異なる複数のロータコアを有するロータとを備え、前記ステータと前記ロータの何れか一方は、前記ロータの回転軸方向に沿って抜き差し自在に配置されることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電機子コイルを巻回したステータコアを有するステータと、
前記ステータに対して径方向に所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に、
回転軸方向と直交する断面において永久磁石の配置が異なる複数のロータコアを有するロータとを備え、
前記ステータと前記ロータの何れか一方は、前記ロータの回転軸方向に沿って抜き差し自在に配置されることを特徴とする回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機において、
前記ロータは、第１のロータコアと第２のロータコアとを有し、
前記第２のロータコアは、前記第１のロータコアよりもトルク定数が小さく、前記ステータの引き抜き方向に配置されることを特徴とする回転電機。

【請求項3】

請求項２に記載の回転電機において、
前記第１のロータコアには、前記永久磁石が前記ロータの外周面に向かって開くＶ字形に配置され、
前記第２のロータコアには、前記永久磁石が前記ロータの外周面の接線方向と平行に配置されることを特徴とする回転電機。

【請求項4】

請求項２に記載の回転電機において、
前記第１のロータコアには、前記永久磁石が前記ロータの外周表面に配置され、
前記第２のロータコアには、前記永久磁石が前記ロータの内部に配置されることを特徴とする回転電機。

【請求項5】

請求項１に記載の回転電機において、
前記ステータを固定するテーブルを備え、
前記テーブルは、前記テーブルを前記ロータの回転軸方向に沿って変位させる移動機構によって、移動可能に取り付けられることを特徴とする回転電機。

【請求項6】

請求項５に記載の回転電機において、
前記ステータは、底面が前記テーブルの上面と当接し、
前記移動機構は、前記テーブルに取り付けられると共に、同一平面上に取付けられる複数の直動案内装置と、駆動装置とからな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、回転電機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、回転電機の低速回転時及び高速回転時での出力を調整することで、回転速度に応じた出力特性を得ることができる回転電機が知られている。このような回転電機は種々の構造が知られているが、例えば、特許文献１に記載されているように、円筒状のフレームと、中心付近に軸受を備え該フレームの端部に設けられたブラケットと、巻線を施されて該フレームの内側に設置されたステータと、該ステータと細隙を介して端部を該軸受により回転可能に支持された、永久磁石を備えたロータと、ステータとロータ間のエアギャップを変化させる手段とで構成されたインバータ駆動する永久磁石形回転電機が知られている。

【0003】

このような回転電機によれば、低速回転時には、ステータとロータとの対向面積を大きくするようにステータを回転軸方向に移動させ、有効磁束を大きくすることで、トルク定数を高くすることができる。また、高速回転時には、ステータとロータとの対向面積を小さくするようにステータをロータから引き抜いて、有効磁束を小さくすることで、トルク定数を低くすることができる。このようにトルク定数を変化させることによって、低速回転時には高トルク化を図り目標トルクを出力するために必要な電流を減少させ、銅損を減少させる。また、高速回転時には低トルク化を図り鉄損を低減させる等して、回転速度に応じた回転電機の特性を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実開平７－２００７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

また、従来の回転電機に用いられるロータについて、種々の永久磁石の配置方法が知られている。永久磁石の配置方法によって、ロータから発生する磁束が異なるため、モータの特性に応じた永久磁石の配置方法が設定される。従来、永久磁石の配置方法はロータにつき一種類であった。

【0006】

このような従来の回転電機について、ステータをロータから引き抜いてトルク定数を変化させる場合、トルク定数の低減率は、永久磁石の配置方法に依存しており、ステータの引抜量に対するトルク定数の低減効果は限定的なものであった。

【0007】

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、ステータの引抜量に対するトルク定数の低減率を向上させ、かつ、回転速度領域全体の損失を低減させた高効率な回転電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】

上記課題を解決する本発明に係る回転電機は、電機子コイルを巻回したステータコアを有するステータと、前記ステータに対して径方向に所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に、回転軸方向と直交する断面において永久磁石の配置が異なる複数のロータコアを有するロータとを備え、前記ステータと前記ロータの何れか一方は、前記ロータの回転軸方向に沿って抜き差し自在に配置されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明に係る回転電機によれば、永久磁石の配置が異なるロータコアを複数組み合わせることで、ステータの引抜量に対するトルク定数の低減率を向上させることができ、かつ、回転速度領域全体の損失を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る回転電機のステータを引き抜いた状態を示す軸方向断面図。

【図3】図１におけるＡ－Ａ断面図。

【図4】図１におけるＢ－Ｂ断面図。

【図5】図１におけるＣ－Ｃ断面図。

【図6】本発明の第１の実施形態に係る回転電機を示す斜視図。

【図7】本発明の実施形態に係るボールねじ装置を示す参考斜視図。

【図8】本発明の実施形態に係る直動案内装置を示す参考斜視図。

【図9】従来の回転電機と本発明の第１の実施形態に係る回転電機の損失についてのシミュレーション結果を示す表。

【図10】本発明の第２の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図。

【図11】図１０におけるＤ－Ｄ断面図。

【図12】図１０におけるＥ－Ｅ断面図。

【図13】従来の回転電機と本発明の第２の実施形態に係る回転電機のステータ引抜量に対するトルク定数の関係を示すグラフ。

【図14】従来の回転電機と本発明の第２の実施形態に係る回転電機の効率についてのシミュレーション結果を示す表。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0012】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図であり、図２は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機のステータを引き抜いた状態を示す軸方向断面図であり、図３は、図１におけるＡ－Ａ断面図であり、図４は、図１におけるＢ－Ｂ断面図であり、図５は、図１におけるＣ－Ｃ断面図であり、図６は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機を示す斜視図であり、図７は、本発明の実施形態に係るボールねじ装置を示す参考斜視図であり、図８は、本発明の実施形態に係る直動案内装置を示す参考斜視図である。また、本明細書において、ロータの回転軸方向及びステータの引き抜き方向とは、図１及び２に示す矢印の方向と定義する。また、本明細書において、上下方向及び左右方向とは、図３に示す矢印の方向と定義する。

【0013】

本実施形態に係る回転電機１は、図１に示すように、後述するロータ５の内部に永久磁石５２ａ、５２ｂを埋め込んだ構造をもつ、いわゆるＩＰＭ （Interior Permanent Magnet）モータである。また、本実施形態に係る回転電機１は、自動車等の駆動用のモータとして用いられると好適である。

【0014】

本実施形態に係る回転電機１は、図１に示すように、ケース２に対して回転可能に取り付けられたシャフト４及びロータ５と、ロータ５を周方向に取り囲むと共にロータ５の回転軸方向に沿って移動可能に取り付けられたステータ６を備える。なお、本明細書において、ケース２は、図６に示すように、鋼板を組み合わせた筐体であるとして説明を行うが、ケース２は、回転電機１の構成要素を自動車等の駆動用モータとして車体本体に取り付けることができればよく、材質や形状等は適宜設定して構わない。

【0015】

シャフト４は、図１に示すように、ケース２のケース側面２１ａ、２１ｂに取り付けられた一対の軸受３ａ、３ｂを介して回転自在に軸支される。シャフト４のいずれか一方の端部には、図示しない駆動機構に連結され、シャフト４の回転は、自動車等の動力として伝達される。シャフト４には、ロータ５がシャフト４の回転軸と同軸に固定されている。

【0016】

ロータ５は、図１に示すように、第１のロータコア５１ａと第２のロータコア５１ｂを有する。第１のロータコア５１ａと第２のロータコア５１ｂは、シャフト４の回転軸に沿って並んで配置され、第１のロータコア５１ａは、ステータ６の引き抜き方向と反対側に位置するように、第２のロータコア５１ｂは、ステータ６の引き抜き方向に位置するようにシャフト４へ固定される。

【0017】

第１のロータコア５１ａは、電磁鋼板を積層、または軟磁性粉末材料を圧粉成形して形成されると好適である。第１のロータコア５１ａの内部には、図５に示すように、複数の永久磁石５２ａが埋め込まれる。

【0018】

永久磁石５２ａは、図５に示すように、断面形状が直線形であってロータ５の回転軸方向に長手をもつ板状の磁石である。永久磁石５２ａは、Ｎ極の磁石５２ａＮとＳ極の磁石５２ａＳとがあり、ロータ５の回転軸方向と直交する断面（図５視）において、それぞれが略Ｖ字形となるように第１のロータコア５１ａの外周に沿って配置される。Ｎ極の磁石５２ａＮとＳ極の磁石５２ａＳは、頂点がロータ５の回転中心に向くとともにロータ５の外周面に向かって開く略Ｖ字形となるように配置され、Ｎ極の磁石５２ａＮで構成された略Ｖ字形の組み合わせと、Ｓ極の磁石５２ａＳで構成された略Ｖ字形の組み合わせは、第１のロータコア５１ａの周方向に交互に配置されている。

【0019】

Ｎ極の磁石５２ａＮとＳ極の磁石５２ａＳとの間には、図５に示すように、永久磁石５２ａの板幅方向の側面にロータ５の回転軸方向に延びるように空間を形成する隙間５３ａが設けられている。この隙間５３ａにより、隣り合うＮ極の磁石５２ａＮとＳ極の磁石５２ａＳとの間に空気層を形成することで、磁束の短絡を防止している。隙間５３ａは、図５に示すように、永久磁石５２ａの板幅方向の側面と連続するように形成されると好適であるが、隙間５３ａの位置及び形状はこれに限定されず、いわゆるフラックスバリアとして周知である種々の形状であっても構わない。例えば、隣り合うＮ極の磁石５２ａＮとＳ極の磁石５２ａＳとの間に、断面形状が略三角形となるように形成される溝であっても構わない。

【0020】

このように配置される永久磁石５２ａを有する第１のロータコア５１ａによれば、永久磁石５２ａから電機子コイル６２を鎖交する磁束が増えるため、トルク定数を高めることができる。

【0021】

第２のロータコア５１ｂは、電磁鋼板を積層、または軟磁性粉末材料を圧粉成形して形成されると好適である。第２のロータコア５１ｂの内部には、図４に示すように、複数の永久磁石５２ｂが埋め込まれる。

【0022】

永久磁石５２ｂは、図４に示すように、断面形状が直線形であってロータ５の回転軸方向に長手をもつ板状の磁石である。永久磁石５２ｂは、ロータ５の回転軸方向と直交する断面（図４視）において、第２のロータコア５１ｂの外周面の接線方向と平行に配置され、かつ、外周に沿って環状に複数配置される。また、永久磁石５２ｂは、Ｎ極の磁石５２ｂＮとＳ極の磁石５２ｂＳとがあり、第２のロータコア５１ｂの周方向に交互に配置されている。

【0023】

永久磁石５２ｂの板幅方向の両側には、図４に示すように、ロータ５の回転軸方向に延びる隙間５３ｂが形成されている。この隙間５３ｂにより、隣り合うＮ極の磁石５２ｂＮとＳ極の磁石５２ｂＳとの間に空気層を形成することで、磁束の短絡を防止している。隙間５３ｂは、図４に示すように、永久磁石５２ｂの板幅方向両側面と連続するように形成されると好適であるが、隙間５３ｂの位置及び形状はこれに限定されず、いわゆるフラックスバリアとして周知である種々の形状であっても構わない。例えば、隣り合うＮ極の磁
石５２ｂＮとＳ極の磁石５２ｂＳとの間に、断面形状が略三角形となるように形成される溝であっても構わない。

【0024】

このように配置される永久磁石５２ｂを有する第２のロータコア５１ｂによれば、略Ｖ字形に配置された永久磁石５２ａを有する第１のロータコア５１ａと比較して、永久磁石５２ｂから電機子コイル６２を鎖交する磁束が減るため、トルク定数を低くすることができる。

【0025】

ステータ６は、図１及び図３に示すように、ステータコア６１と、ステータコア６１に巻回された複数の電機子コイル６２を有する。ステータ６は、図３に示すように、ロータ５の回転軸方向と直交する断面の形状が多角形、例えば、正八角形に形成されると好適である。ステータ６は、図３視において正八角形の底面となる一つの側面が後述するテーブル７１と接するように配置される。

【0026】

ステータコア６１は、電磁鋼板を積層、または軟磁性粉末材料を圧粉成形して形成されると好適である。ステータコア６１は、図４及び５に示すように、径方向に放射状に延びると共に、電機子コイル６２が巻回される複数のステータコア基部６１ａと、各ステータコア基部６１ａの径方向内側の端部から周方向に延設する鍔部６１ｂとを備えている。鍔部６１ｂの径方向内周面は、第１のロータコア５１ａ及び第２のロータコア５１ｂの外周面との間に所定のギャップが形成されるように配置される。

【0027】

電機子コイル６２は、ロータ５の回転軸と同軸に、周方向に沿って配置されている。なお、電機子コイルの巻回方法は、従来周知の種々の巻き方を採用することが可能である。

【0028】

テーブル７１は、非磁性の材料であって、例えばアルミニウム合金やステンレス合金等からなる。テーブル７１は、図３に示すように、板状の部材であって、テーブル７１の下面から左右両端部が後述するブロック部（移動体）９２によって支持された状態で、ステータ６をテーブル７１の上面に載置しても変形することのない厚みを有する。テーブル７１は、図３に示すように、上面の左右両端部にブラケット７２を備える。テーブル７１は、下面に移動機構１０を備え、ロータ５の回転軸方向に沿って移動可能に支持されている。なお、テーブル７１は、板状の部材であるとして説明を行ったが、テーブル７１の形状はこれに限定されず、例えばブラケット７２と一体となった断面略コ字状の部材であってもよく、形状は問わない。また、所望の強度を得るために各種のリブ等を形成しても構わない。

【0029】

ブラケット７２は、非磁性の材料であって、例えばアルミニウム合金やステンレス合金等からなる。ブラケット７２は、略Ｌ字形の部材であって、テーブル７１の上面から垂直方向に延びる平面７２ａを有する。ブラケット７２の図３視における奥行方向の両端面には、押え板７３がそれぞれ取り付けられる。ブラケット７２の上端面には、ステータ６の外形に対応する形状のステータカバー７４が、左右に位置するブラケット７２を架け渡すように取り付けられる。

【0030】

このようなブラケット７２によれば、平面７２ａによって、ステータ６の図３視における正八角形の左右側面を押さえることができる。また、このようなステータカバー７４によれば、ステータ６の図３視における正八角形の上面、左上側面及び右上側面を押さえることができる。また、このような押え板７３によれば、図３視におけるステータ６の奥行方向の両端面を押さえることができる。このようにして、ステータ６は、テーブル７１の上面、ブラケット７２の平面７２ａ、押え板７３及びステータカバー７４によって、全方向に対する移動が規制され、テーブル７１に対して移動不能に固定される。なお、テーブル７１の上面には、図１に示すように、ステータ６の取り付け位置を決めるためのピン７
５を取り付けても構わない。

【0031】

移動機構１０は、図３に示すように、駆動装置として例えばボールねじ装置８と、複数の直動案内装置９によって構成されている。本実施形態において、ボールねじ装置８は、一例としてテーブル７１の下面の左右方向略中央部に取り付けられる。また、直動案内装置９は、一例としてテーブル７１の下面の左右両端部のそれぞれに取付けられる。

【0032】

ボールねじ装置８は、図７に示すように、螺旋状のボール転走溝８１ａが形成された長手方向に延びる軸部材としてのねじ軸８１と、ボール転走溝８１ａに対応する負荷転走溝８２ａが形成された移動部材としてのナット部材８２とを有する。

【0033】

ナット部材８２は、ボール転走溝８１ａと負荷転走溝８２ａの間を転走する複数のボール８３を介してねじ軸８１に対して軸方向に移動可能に取り付けられている。ナット部材８２は、軸方向端面に径方向に延設されたフランジ８４を有し、フランジ８４には複数の締結孔８４ａが形成されている。また、ナット部材８２は、例えば、図示しないリターンピースを有している。

【0034】

リターンピースは、ねじ軸８１のボール転走溝８１ａを数巻分だけ飛び越えるようにナット部材８２に固定されており、係るリターンピースの端部によってねじ軸８１のボール転走溝８１ａから掬い上げられたボール８３が、リターンピース内を転走して数巻分前のボール転走溝８１ａに送りこまれ、これによってボール８３がナット部材８２内を無限循環するように構成されている。なお、無限循環の方式として、リターンピースを用いる方式について説明を行ったが、無限循環の方式はリターンピースに限らず、種々の循環方式を採用することが可能であり、例えば、ナット部材８２の軸方向端部に取り付けるエンドプレートに循環構造を持たせても構わないし、デフレクタを用いて、ボール８３を所定の巻き数分戻す方式を採用しても構わない。

【0035】

本実施形態において、ねじ軸８１の両端部は、図１に示すように、ケース２のケース側面２１ｂに取り付けられた軸受８６と、ケース２のケース底面２２に取り付けられた軸受８７を介して回転自在に軸支されている。また、ねじ軸８１は、ロータ５の回転軸と平行に配置されている。ねじ軸８１のいずれか一方の端部は、図１に示すように、駆動モータ８５によって回転力が付与されるように連結されている。また、ナット部材８２は、締結孔８４ａを用いてテーブル７１の下面に取り付けられている。なお、本実施形態において、ボールねじ装置８は、テーブル７１の下面の左右方向略中央部に取り付けられる場合について説明を行ったが、ボールねじ装置８の取り付け位置はこれに限定されず、回転電機１の車体への取り付け状況に合わせて適宜設定して構わない。

【0036】

直動案内装置９は、図８に示すように、断面形状が略矩形に形成され、左右両側に転動体転走面９１ａが形成された長尺部材であるレール（移動台）９１と、転動体転走面９１ａに対応する負荷転動体転走面９３ａが形成された移動部材としてのブロック部（移動体）９２とを有する。

【0037】

レール９１には、複数のボルト孔が天面９１ｂから底面９１ｃに向かって穿孔されている。本実施形態において、直動案内装置９は、レール９１に形成されたこれら複数のボルト孔にボルトを挿通し、ケース２のケース底面２２に締結されている。レール９１は、断面略矩形状の左右両側面に、２条ずつの転動体転走面９１ａが対称的に合計４条形成されている。

【0038】

ブロック部９２は、レール９１の天面９１ｂ及び左右両側面に跨るように、断面略コ字状をしており、ブロック部本体９３と、このブロック部本体９３の往復運動方向である両
端面に取り付けられた一対の側蓋９４とを備えている。

【0039】

ブロック部本体９３及び側蓋９４は、レール９１の天面９１ｂに対向する中央部と、レール９１の左右両側面に対向する一対の脚部とを有している。ブロック部本体９３には、レール９１の転動体転走面９１ａと対向するようにレール９１の長手方向に延びる例えば合計４条の負荷転動体転走面９３ａが形成されている。

【0040】

また、ブロック部本体９３には、負荷転動体転走面９３ａと平行に延びる転動体戻し通路９３ｂが合計４条形成されている。

【0041】

また、側蓋９４には、負荷転動体転走面９３ａの一端と転動体戻し通路９３ｂの一端とを繋ぐＵ字形状の方向転換路９４ａが形成されている。転動体転走面９１ａと負荷転動体転走面９３ａからなる負荷転動体転走路，一対の方向転換路９４ａ及び転動体戻し通路９３ｂとからなる無限循環路を形成している。

【0042】

本実施形態に係る直動案内装置９は、転動体転走面９１ａと負荷転動体転走面９３ａとの間に転動体９５が介在されているので、ブロック部９２をレール９１の長手方向に沿って移動させると、転動体９５に転がり運動を行わせることができる。負荷転動体転走路の一端まで転走した転動体９５は、一方の方向転換路９４ａに導かれる。方向転換路９４ａで進行方向を転換させた転動体９５は、転動体戻し通路９３ｂを転走して、他方の方向転換路９４ａを経由した後、再び負荷転動体転走路に戻される。このように転動体９５が転走することで無限循環を実現している。

【0043】

また、複数の転動体９５は、球状に形成されたボールが好適に用いられる。さらに、複数の転動体９５は、隣り合う転動体９５間に配置された間座部と、その長手方向に沿って配列された間座部を繋ぐ帯状の連結帯とからなる帯状リテーナ９６により保持されている。このように、転動体９５間に配置された間座部により転動体９５同士の衝突を防止することができる。また、転動体９５は、帯状リテーナ９６によって一連に連結保持されているので、転動体９５を整列させたまま転走させることができる。

【0044】

なお、レール９１の長手方向と交差する面における断面において、転動体転走面９１ａ及び負荷転動体転走面９３ａは転動体９５の曲率半径よりも大きな単一の曲率半径で形成されたサーキュラアーク形状に形成されている。これにより、転動体９５は、転動体転走面９１ａと負荷転動体転走面９３ａからなる負荷転動体転走路と２点で接触するため、異常な転がり抵抗の増加を示さず、荷重が加わった状態でも良好に動作する。また、転動体転走面９１ａ及び負荷転動体転走面９３ａはこれに限らず、転動体９５の曲率半径よりも若干大きな曲率半径の２つの円弧からなるいわゆるゴシックアーチ形状に形成しても構わない。

【0045】

本実施形態において、直動案内装置９は、図３に示すように、テーブル７１の左右両端部に取付けられる。また、ブロック部９２は、ブラケット７２の真下となる位置に取り付けられる。このように、ブラケット７２の真下にブロック部９２を取り付けることで、回転電機１全体の寸法を抑え、尚且つモーメントにも強い構造が得られる。例えば、左右のブラケット７２の取り付け幅が複数のブロック部９２の取り付け幅よりも大きな場合には、回転電機１が幅方向に大きくなり、スペースの問題や重量増加が懸念される。また、反対に、左右のブラケット７２の取り付け幅が複数のブロック部９２の取り付け幅よりも小さい場合には、モーメントに対して弱くなり、剛性不足が懸念される。

【0046】

レール９１は、ケース底面２２の上面であって、左右に位置するレール９１が同じ高さとなる同一平面上に取り付けられ、ロータ５の回転軸と平行に配置されている。また、ブ
ロック部９２は、テーブル７１の下面に取り付けられるが、図６に示すように、テーブル７１の大きさに合わせて一本のレール９１に対して複数のブロック部９２を取り付けても構わない。なお、直動案内装置９の取り付け位置は、上記に限定されず、ブラケット７２の側面等、回転電機１の車体への取り付け状況に合わせて適宜設定して構わない。また、複数のレール９１は、同一平面に取り付けられる場合について説明を行ったが、複数のレール９１は、それぞれ異なる平面に取り付けても構わない。

【0047】

このようなボールねじ装置８と直動案内装置９を有する回転電機１によれば、駆動モータ８５によってねじ軸８１を回転させることで、ナット部材８２が取り付けられたテーブル７１を移動させ、テーブル７１に固定されるステータ６をロータ５の回転軸方向に沿ってスムーズに移動させることができる。また、移動機構１０は、テーブル７１の下面のみに取付けられるため、ステータ６をロータ５の回転軸方向に沿って移動させる構造がコンパクトにまとまり、回転電機１全体の大きさを小さくすることができる。

【0048】

次に、本実施形態に係るステータ６の引抜量に対する回転電機１の出力特性、及びトルク定数の変化について説明を行う。

【0049】

本実施形態に係る回転電機１は、図１及び２に示すように、上述した移動機構１０によって、ステータ６をロータ５に対して抜き差しするように移動させることができる。

【0050】

図１に示すように、ステータ６をロータ５に対して最も挿入した状態、すなわちステータ６の引抜量が０ｍｍの場合においては、ステータ６とロータ５の対向面積が最も大きくなり、有効磁束が大きくなる。このときの回転電機１の出力特性は、高トルク・低回転となり、自動車の発進時等、速度は遅いが高トルクが必要な場合に最も出力特性が適した状態となる。また、このような状態は、逆起電力が上昇することから、効率的に発電を行うことができ、高効率の回生ブレーキとして作用させることが可能となる。また、このとき、ステータ６は、第１のロータコア５１ａ及び第２のロータコア５１ｂと対向している。

【0051】

ステータ６の引抜量が０ｍｍのときの回転電機１は、ステータ６がトルク定数の高い第１のロータコア５１ａと対向しているため、トルク定数の低い第２のロータコア５１ｂの一種類によって構成されるロータを有する従来の回転電機と比較して、目標トルクを出力させるための電流を小さくすることができる。または、ステータ６の電機子コイル６２の巻き数を低減することも可能となる。これらは、通電によって発生する銅損を低減させるために有効である。

【0052】

このように、第１のロータコア５１ａと第２のロータコア５１ｂとを組み合わせた構成のロータ５を有する回転電機１によれば、ステータ６の引抜量を０ｍｍにすることにより、有効磁束を大きくすることができ、かつ、トルク定数の高い第１のロータコア５１ａを使用するため、高トルク型の出力特性となる。また、回転電機１が高トルク型の出力特性となるために、銅損による損失を抑えることができ、低速域での効率を向上させることができる。

【0053】

次に、図２に示すように、ステータ６をロータ５に対して引き抜いた状態においては、ステータ６とロータ５の対向面積は小さくなり、有効磁束が小さくなる。このときの回転電機１の出力特性は、低トルク・高回転となり、トルクを必要としない高速走行時に出力特性が適した状態となる。また、このとき、ステータ６は、第２のロータコア５１ｂのみに対向する。

【0054】

ステータ６をロータ５に対して引き抜いた状態では、ステータ６がトルク定数の低い第２のロータコア５１ｂと対向することにより、トルク定数の高い第１のロータコア５１ａ
と対向する場合と比較し、ステータコア６１に発生する磁束の変化量を小さくすることができる。このため、ロータ５の回転時の鉄損を低減させることができる。

【0055】

また、ロータ５は、第１のロータコア５１ａと第２のロータコア５１ｂとを組み合わせて構成されているため、第２のロータコア５１ｂの一種類によって構成されるロータと比較して、上述したように、ステータ６の電機子コイル６２の巻き数を低減することができ、通電によって発生する銅損も低減させることが可能である。

【0056】

このように、第１のロータコア５１ａと第２のロータコア５１ｂとを組み合わせた構成のロータ５を有する回転電機１によれば、ステータ６をロータ５に対して引き抜くことにより、有効磁束を小さくすることができ、かつ、トルク定数の低い第２のロータコア５１ｂを使用するため、高回転型の出力特性となる。また、鉄損及び銅損による損失を抑えることができ、高速域での効率を向上させることができる。

【0057】

このように、本発明に係る回転電機１は、永久磁石５２ａ、５２ｂの配置が異なる第１のロータコア５１ａと第２のロータコア５１ｂとを組み合わせることで、ステータをロータに対して引き抜く前の状態では、トルク定数をより高めることができ、ステータをロータから引き抜いた後の状態では、トルク定数をより低めることができる。すなわち、本発明に係る回転電機１は、ステータ６の引抜量に対するトルク定数の低減率を向上させることができ、低速域及び高速域での効率を共に向上させることができる。

【0058】

次に、本実施形態に係る回転電機１の損失の改善効果について説明を行う。図９は、従来の回転電機及び本発明の第１の実施形態に係る回転電機１の損失についてのシミュレーション結果である。図９の上段は、従来の一種類のロータ構造であって、第２のロータコア５１ｂと同様の構成からなるロータ（以下、Ｉ型ロータという。）を有する回転電機の回転速度に対する損失を示すグラフ、下段は、本発明の第１の実施形態に係る第１のロータコア５１ａと第２のロータコア５１ｂからなるロータ５を有する回転電機１の回転速度に対する損失を示すグラフである。また、左列は、ステータをロータに対して引き抜く前の状態、右列は、ステータをロータから引き抜いた後の状態を示すグラフである。

【0059】

ステータの引抜き前の状態は、上述したように、低速域での使用が想定されている。そのため、ステータの引抜き前の状態において想定される主な使用領域を、図９の左列における点線枠で示し、従来のＩ型ロータのみを有する回転電機と、本願発明に係る回転電機１の、点線枠内における損失を比較する。

【0060】

図９の左列上段、左列下段によれば、本願発明に係る回転電機１は、低速域において、高トルク域の損失が低減していることが確認できる。すなわち、本願発明の回転電機１によれば、低速回転時には、トルク定数の高い第１のロータコア５１ａを使用することにより、銅損による損失が低減されたことが確認できる。

【0061】

同様に、ステータの引抜き後の状態は、上述したように、高速域での使用を想定している。そのため、ステータの引抜き後の状態において想定される主な使用領域を図９の右列における点線枠で示し、従来のI型ロータのみを有する回転電機と、本願発明に係る回転
電機１の、点線枠内における損失を比較する。

【0062】

図９の右列上段、右列下段によれば、本願発明に係る回転電機１は、高速域において、低トルク域の損失が低減していることが確認できる。すなわち、本願発明の回転電機１によれば、高速回転時には、トルク定数の低い第２のロータコア５１ｂを使用することにより、鉄損による損失が低減されたことが確認できる。

【0063】

このように、本願発明の回転電機１によれば、低速回転時及び高速回転時の全領域において、銅損及び鉄損を低減し、損失の低い高効率な回転電機を提供することができる。

【0064】

［第２の実施形態］
以上説明した第１の実施形態は、ＩＰＭモータであって、トルク定数の異なる第１のロータコア５１ａと第２のロータコア５１ｂを組み合わせたロータ５を有し、回転速度に応じてステータ６をロータ５に対して引き抜くことで効率化を図ることのできる回転電機１について説明を行った。次に説明する第２の実施形態に係る回転電機１０１は、第１の実施形態と異なる形態を有する回転電機について説明を行う。なお、上述した第１の実施形態と同一または類似する部材については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0065】

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図であり、図１１は、図１０におけるＤ－Ｄ断面図であり、図１２は、図１０におけるＥ－Ｅ断面図である。

【0066】

本実施形態に係る回転電機１０１は、図１０に示すように、ケース２に対して回転可能に取り付けられたシャフト４及びロータ１０５と、ロータ１０５を周方向に取り囲むと共にロータ１０５の回転軸方向に沿って移動可能に取り付けられたステータ６を備える。また、本実施形態に係る回転電機１０１は、第１の実施形態に係る回転電機１と同様に、自動車等の駆動用のモータとして用いられると好適である。

【0067】

ロータ１０５は、外周に永久磁石が貼り付けられた構造である、いわゆるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）構造の第１のロータコア１５１ａと、内部に永久磁石を埋め込んだ構造である、いわゆるＩＰＭ構造の第２のロータコア１５１ｂとを備える。

【0068】

第１のロータコア１５１ａと第２のロータコア１５１ｂは、シャフト４の回転軸に沿って並んで配置され、第１のロータコア１５１ａは、ステータ６の引き抜き方向と反対側に位置するように、第２のロータコア１５１ｂは、ステータ６の引き抜き方向に位置するようにシャフト４へ固定される。

【0069】

第１のロータコア１５１ａは、電磁鋼板を積層、または軟磁性粉末材料を圧粉成形して形成されると好適である。第１のロータコア１５１ａの外周には、図１２に示すように、複数の永久磁石１５２ａが貼り付けられる。

【0070】

永久磁石１５２ａは、図１２に示すように、断面形状が第１のロータコア１５１ａの外周に対応する円弧形であって、ロータ１０５の回転軸方向に延びる板状の磁石である。永久磁石１５２ａには、Ｎ極の磁石１５２ａＮとＳ極の磁石１５２ａＳとがあり、ロータ１０５の周方向に沿って交互に配置される。なお、永久磁石１５２ａは、第１のロータコア１５１ａの回転軸方向の長さに対応する一続きの板状の磁石でもよく、回転軸方向に複数に分割した板状の磁石から構成されても構わない。

【0071】

Ｎ極の磁石１５２ａＮとＳ極の磁石１５２ａＳの間には、図１２に示すように、ロータ１０５の回転軸方向に延びる隙間１５３ａが形成される。このような隙間１５３ａにより、隣り合うＮ極の磁石１５２ａＮとＳ極の磁石１５２ａＳとの間に空気層を形成することで、磁束の短絡を防止している。

【0072】

このように配置される永久磁石１５２ａを有する第１のロータコア１５１ａによれば、ＩＰＭ構造をもつロータコアと比較して、永久磁石１５２ａから電機子コイル６２を鎖交する磁束を増加させることができるため、トルク定数を高めることができる。

【0073】

第２のロータコア１５１ｂは、電磁鋼板を積層、または軟磁性粉末材料を圧粉成形して形成されると好適である。第２のロータコア１５１ｂの内部には、図１１に示すように、複数の永久磁石１５２ｂが埋め込まれる。

【0074】

永久磁石１５２ｂには、図１１に示すように、Ｎ極の磁石１５２ｂＮとＳ極の磁石１５２ｂＳとがあり、ロータ１０５の回転軸方向と直交する断面において、それぞれが所定の形状となるように第２のロータコア１５１ｂの外周に沿って配置される。

【0075】

Ｎ極の磁石１５２ｂＮ及びＳ極の磁石１５２ｂＳは、一例として、それぞれ第２のロータコア１５１ｂの外周近傍おいて、第２のロータコア１５１ｂの径方向に２層となるように配置される。２層のうち径方向外側に位置するＮ極の磁石１５２ｂＮ又はＳ極の磁石１５２ｂＳは、径方向外側に向かって開く略Ｖ字形となるように配置される。２層のうち径方向内側に位置するＮ極の磁石１５２ｂＮ又はＳ極の磁石１５２ｂＳは、略Ｖ字形に配置された上記磁石を取り囲み、径方向外側に向かって開く略コ字形となるように配置される。

【0076】

Ｎ極の磁石１５２ｂＮ及びＳ極の磁石１５２ｂＳは、断面形状が直線形であってロータ５の回転軸方向に長手をもつ板状の磁石であり、複数の板状の磁石を組み合わせて、上記のような所定の形状となるように配置される。このように配置されたＮ極の磁石１５２ｂＮの組み合わせと、Ｓ極の磁石５２ａＳの組み合わせは、第２のロータコア１５１ｂの周方向に沿って交互に配置される。

【0077】

なお、Ｎ極の磁石１５２ｂＮ及びＳ極の磁石１５２ｂＳは、断面形状が直線形であって、これらの磁石を複数組み合わせて所定の位置に配置されるとして説明を行ったが、Ｎ極の磁石１５２ｂＮ及びＳ極の磁石１５２ｂＳの断面形状はこれに限らず、予め略Ｖ字形や略コ字形の断面形状を有する磁石であっても構わない。また、Ｎ極の磁石１５２ｂＮ及びＳ極の磁石１５２ｂＳの配置についても、上記に限らず、従来周知のＩＰＭ構造のロータコアの磁石配置と同等に設定しても構わない。

【0078】

Ｎ極の磁石１５２ｂＮとＳ極の磁石１５２ｂＳの周方向の両側には、図１１に示すように、ロータ１０５の回転軸方向に延びる隙間１５３ｂが形成される。このような隙間１５３ｂにより、隣り合うＮ極の磁石１５２ｂＮとＳ極の磁石１５２ｂＳとの間に空気層を形成することで、磁束の短絡を防止している。また、隙間１５３ｂは、図１１に示すような形状に限らず、いわゆるフラックスバリアとして周知である種々の形状であっても構わない。

【0079】

このように配置される永久磁石１５２ｂを有する第２のロータコア１５１ｂによれば、ＳＰＭ構造をもつロータコアと比較して、永久磁石１５２ｂから電機子コイル６２を鎖交する磁束が減るため、トルク定数を低くすることができる。また、永久磁石１５２ｂは、隣り合うＮ極の磁石１５２ｂＮとＳ極の磁石１５２ｂＳとの間の磁気抵抗が高くなるように配置されているため、リラクタンストルクを大きくさせることができる。

【0080】

次に、本実施形態に係るステータ６の引抜量に対する回転電機１０１の出力特性、及びトルク定数の変化について説明を行う。

【0081】

本実施形態に係る回転電機１０１は、第１の実施形態に係る回転電機１と同様に、移動機構１０によって、ステータ６をロータ１０５に対して抜き差しするように移動させることができる。

【0082】

ステータ６をロータ１０５に対して最も挿入した状態、すなわちステータ６の引抜量が０ｍｍの場合においては、ステータ６とロータ１０５の対向面積が最も大きくなり、有効磁束が大きくなる。このときの回転電機１０１の出力特性は、高トルク・低回転となり、自動車の発進時等、速度は遅いが高トルクが必要な場合に最も出力特性が適した状態となる。また、このような状態は、逆起電力が上昇することから、効率的に発電を行うことができ、高効率の回生ブレーキとして作用させることが可能となる。また、このとき、ステータ６は、第１のロータコア１５１ａ及び第２のロータコア１５１ｂと対向している。

【0083】

ステータ６の引抜量が０ｍｍのときの回転電機１０１は、ステータ６がトルク定数の高いＳＰＭ構造の第１のロータコア１５１ａと対向しているため、トルク定数の低いＩＰＭ構造のロータコアを有する従来の回転電機と比較して、目標トルクを出力させるための電流を小さくすることができる。または、ステータ６の電機子コイル６２の巻き数を低減することも可能となる。これらは、通電によって発生する銅損を低減させるために有効である。

【0084】

このように、第１のロータコア１５１ａと第２のロータコア１５１ｂとを組み合わせた構成のロータ１０５を有する回転電機１０１によれば、ステータ６の引抜量を０ｍｍにすることにより、有効磁束を大きくすることができ、かつ、トルク定数の高い第１のロータコア１５１ａを使用するため、高トルク型の出力特性となる。また、回転電機１０１が高トルク型の出力特性となるために、銅損による損失を抑えることができ、低速域での効率を向上させることができる。

【0085】

次に、ステータ６をロータ１０５に対して引き抜いた状態においては、ステータ６とロータ１０５の対向面積は小さくなり、有効磁束が小さくなる。このときの回転電機１０１の出力特性は、低トルク・高回転となり、トルクを必要としない高速走行時に出力特性が適した状態となる。また、このとき、第２のロータコア１５１ｂを使用するため、リラクタンストルクを有効に活用することができ、高速走行に適したロータ構造となる。

【0086】

ステータ６をロータ１０５に対して引き抜いた状態では、ステータ６がトルク定数の低いＩＰＭ構造の第２のロータコア１５１ｂと対向することにより、トルク定数の高いＳＰＭ構造の第１のロータコア１５１ａと対向する場合と比較し、ステータコア６１に発生する磁束の変化量を小さくすることができる。このため、ロータ５の回転時の鉄損を低減させることができる。

【0087】

また、ロータ１０５は、第１のロータコア１５１ａと第２のロータコア１５１ｂとを組み合わせて構成されているため、上述したように、目標トルクを出力させるためのステータ６の電機子コイル６２の巻き数を低減することができ、通電によって発生する銅損も低減させることが可能である。

【0088】

このように、本実施形態に係る回転電機１０１によれば、ステータ６をロータ１０５に対して引き抜くことにより、有効磁束を小さくすることができ、かつ、トルク定数が低くリラクタンストルクの大きい第２のロータコア１５１ｂを使用するため、高回転型の出力特性となる。また、鉄損及び銅損による損失を抑えることができ、高速域での効率を向上させることができる。

【0089】

次に、本実施形態に係る回転電機１０１の損失改善効果について説明を行う。

【0090】

図１３は、従来の回転電機と本発明の第２の実施形態に係る回転電機のステータ引抜量に対するトルク定数の関係を示すグラフである。図１３に示すように、本実施形態に係る回転電機１０１は、ＳＰＭ構造の第１のロータコア１５１ａとＩＰＭ構造の第２のロータコア１５１ｂを備えるため、ＩＰＭ構造のロータコアを備える従来の回転電機と比較して、ステータ６の引抜量に対するトルク定数の低減率を向上させることができる。

【0091】

図１４は、従来の回転電機及び本発明の第２の実施形態に係る回転電機１の効率についてのシミュレーション結果である。図１４の上段は、従来のＩＰＭ構造のロータコアを有する回転電機の回転速度及びトルクに対する効率を示すグラフ、下段は、本実施形態に係るＳＰＭ構造の第１のロータコア１５１ａとＩＰＭ構造の第２のロータコア１５１ｂを有するロータ１０５を備える回転電機１の回転速度及びトルクに対する効率を示すグラフである。また、左列は、ステータをロータに対して引き抜く前の状態、右列は、ステータをロータから引き抜いた後の状態を示すグラフである。また、ステータの引抜き前の状態において想定される主な使用領域を、図１４の左列における点線枠で示し、ステータの引抜き後の状態において想定される主な使用領域を図１４の右列における点線枠で示す。

【0092】

図１４の左列上段、左列下段によれば、本実施形態に係る回転電機１０１は、従来の回転電機と比較して、低速回転時の高トルク域の効率が向上していることが確認できる。すなわち、本実施形態に係る回転電機１０１によれば、トルク定数の高いＳＰＭ構造の第１のロータコア１５１ａを使用することにより、銅損による損失が低減されたことが確認できる。

【0093】

また、図１４の右列上段、右列下段によれば、本実施形態に係る回転電機１０１は、従来の回転電機と比較して、高速回転時の低トルク域の効率が向上していることが確認できる。すなわち、本実施形態に係る回転電機１０１によれば、トルク定数が低いＩＰＭ構造の第２のロータコア１５１ｂを使用することにより、鉄損による損失が低減され、尚且つ、リラクタンストルクの有効活用により、高速回転時の効率がより改善されたことが確認できる。

【0094】

このように、本願発明の回転電機１０１によれば、低速回転時及び高速回転時の全領域において、銅損及び鉄損を低減し、より損失の低い高効率な回転電機を提供することができる。

【0095】

なお、上述した本実施形態に係る回転電機１、１０１においては、図１、図２及び図１０に示すように、第１のロータコア５１ａ、１５１ａと第２のロータコア５１ｂ、１５１ｂの回転軸方向の長さの比率が等しくなる場合の構造について説明を行ったが、第１のロータコア５１ａ、１５１ａと第２のロータコア５１ｂ、１５１ｂとの比率はこれに限らず、要求されるトルク定数低下率に合わせて適宜設定して構わない。また、上述した実施形態においては、ロータ５、１０５を回転軸方向に固定し、ステータ６をロータ５、１０５に対して抜き差しするように移動可能な形態について説明を行ったが、これに限らず、ステータ６をロータ５、１０５の回転軸方向に固定し、ロータ５、１０５をステータ６に対して抜き差しするように移動可能な形態であっても構わない。また、上述した実施形態においては、回転電機１、１０１を自動車等の駆動用モータとして適用する場合について説明を行ったが、その用途は自動車に限られず、各種のモータに適用しても構わない。また、本実施形態に係る回転電機１、１０１を風力発電機として使用しても構わない。この場合、変化する風速に合わせてステータ６とロータ５、１０５の対向面積を適切に変化させることで、発電効率を上げることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【符号の説明】

【0096】

１ １０１ 回転電機、 ５ １０５ ロータ、 １０ 移動機構、 ５１ａ ５１ｂ １５１ａ １５１ｂ ロータコア、 ５２ａ ５２ｂ １５２ａ １５２ｂ永久磁石、 ６ ステータ、 ６１ ステータコア、 ７１ テーブル、 ８ ボールねじ装置、 ９ 直動案内装置。

【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】