JP4013487B2 - 回転電機及びそれを搭載した車両 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転数に応じて有効磁束量を可変することができる回転電機及びそれを搭載した車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転電機、特にハイブリット自動車や電気自動車などの車両に搭載された永久磁石界磁形回転電機は、回転子に配置されている永久磁石が発生する一定磁束と回転電機の回転角速度によって誘導起電力が決定される。すなわち回転電機の回転角速度が上昇すると、回転電機の誘導起電力は比例して上昇する。従って、永久磁石界磁形回転電機では高トルクが得られるが、回転数の可変範囲が狭いために高回転領域の運転は困難であった。そこで、従来は、弱め界磁制御によって高回転領域を広げていた。
【０００３】
また、従来の回転電機は、回転領域に合わせて設計されていたので、低回転領域及び高回転領域の両方が必要な場合は、例えば特開平９−１３２０４２号公報に記載されているように、それぞれの領域を満足する回転電機をそれぞれ用意し、用いていた。また、特開平７−２９８６９６号公報に記載されているように、一つの回転電機で駆動・発電モードを切替えることができるものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の弱め界磁制御は、固定子巻線に弱め界磁制御用電流を流して弱め界磁制御を行っていた。しかし、弱め界磁制御用電流は、回転角速度に比例して上昇する誘導起電力に応じて上昇させる必要があるので、固定子巻線に発生する熱が上昇する。このため、従来の回転電機では、高回転領域において、回転電機の効率の低下、冷却性能を超えた発熱による永久磁石の減磁など起こりうる可能性がある。また、それぞれの領域を満足する回転電機をそれぞれ用意する場合は、各々を駆動するための電力変換装置や制御装置が必要になり、システム構成の複雑化及びコストアップの要因になる。
【０００５】
本発明の代表的な目的は、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得ることができる回転電機及びそれを搭載した車両を提供することにある。また、本発明の他の代表的な目的は、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得ることができると共に、機械的な信頼性を向上させることができる回転電機及びそれを搭載した車両を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本的な特徴は、機械的な制御、すなわち回転子二分割による有効磁束の制御により、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得るようにしたことにある。具体的には、極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子を軸方向に二分割し、二分割された回転子の一方を、回転子のトルク方向に応じて、二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を変化させる、或いは回転子のトルク方向に応じて、界磁用磁石の合成した磁極の位相を、二分割された回転子の他方の磁極に対して変化させる。これにより、本発明は、固定子巻線に弱め界磁制御用電流を流さなくとも弱め界磁制御を行えるようにしたものである。また、本発明は、二分割された回転子の一方をその軸方向両側から支持機構によって支持することにより、二分割された回転子の一方の軸方向の移動力を緩和している。
【０００７】
ここに、本発明の代表的な実施形態を列挙すると次のようになる。
【０００８】
巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【０００９】
巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記界磁用磁石のそれぞれの磁極中心を、前記二分割された回転子の他方の同じ極性の前記界磁用磁石の磁極中心に対して変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【００１０】
巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を、前記二分割された回転子の一方に配置された界磁用磁石の磁極中心と前記二分割された回転子の他方に配置された界磁用磁石の磁極中心をずらしながら変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【００１２】
巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を、前記二分割された回転子の一方に配置された界磁用磁石の磁極中心と前記二分割された回転子の他方に配置された界磁用磁石の磁極中心を揃えた状態で変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【００１４】
巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石、及び該第１の界磁用磁石に対して相対回転が可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石を有すると共に、前記第１及び第２の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向する回転子と、前記第１の界磁用磁石のそれぞれの磁極中心に対して、前記第２の界磁用磁石の同じ極性のものの磁極中心を回転子のトルク方向に伴い変化させる機構とを有し、前記トルク方向に伴い変化させる機構は、回転子に発生するトルク方向と前記第１及び第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１及び第２の界磁用磁石の同じ極性のもの同士の磁極中心を揃える手段と、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い前記第１及び第２の界磁用磁石の同じ極性のもの同士の磁極中心をずらす手段とを有し、前記第２の界磁用磁石はその軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【００１５】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記バッテリから供給される電力によって駆動されて前記内燃機関を駆動し、かつ前記内燃機関からの動力によって駆動されて発電して前記バッテリに電力を供給する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００１６】
電力の充放電を行うバッテリと、該バッテリから供給される電力によって車輪を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００１７】
前輪或いは後輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記バッテリから供給される電力によって駆動されると共に前輪或いは後輪を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００１８】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記バッテリから供給される電力によって駆動されて前記内燃機関を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００１９】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記内燃機関からの動力によって駆動されて発電して前記バッテリに電力を供給する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の第１実施例を図１乃至図８に基づいて説明する。図４は本実施例のハイブリット車の駆動装置の配置構成を示す。本実施例の駆動装置は、車両の駆動力を発生する内燃機関であるエンジン１と、車両の変速機であるトランスミッション３との間に永久磁石形同期回転電機２が機械的に連結されたものである。エンジン１と永久磁石形同期回転電機２との連結には、図示省略したエンジン１の出力軸（クランク軸ともいう）と永久磁石形同期回転電機２の回転軸とを直結する方法、或いは遊星歯車減速機構などで構成された変速機を介して連結する方法が採られている。
【００２１】
一方、トランスミッション３と永久磁石形同期回転電機２との連結には、図示省略したトランスミッション３の入力軸と永久磁石形同期回転電機２の回転軸とを、動力遮断手段であるクラッチを介して、或いは流体を利用した流体継手又はトルクコンバータを介して連結する方法が採られる。このように、トランスミッション３と永久磁石形同期回転電機２との連結にクラッチ或いは流体継手又はトルクコンバータを用いることにより、永久磁石形同期回転電機２によってエンジン１を始動することができると共に、エンジン１の始動後、エンジン１の駆動力或いはエンジン１の駆動力と永久磁石形同期回転電機２の駆動力をトランスミッション３の入力軸に伝達することができる。
【００２２】
永久磁石形同期回転電機２は、電動機或いは発電機として動作することが可能なものである。永久磁石形同期回転電機２には電力変換器４を介して蓄電手段であるバッテリ５が電気的に接続されている。
【００２３】
永久磁石形同期回転電機２を電動機として用いる場合は、バッテリ５から出力された直流電力を電力変換器４（インバータ）で交流電力に変換し、永久磁石形同期回転電機２に供給する。これにより、永久磁石形同期回転電機２は駆動される。永久磁石形同期回転電機２の駆動力はエンジン１の始動用或いはアシスト用として用いられる。一方、永久磁石形同期回転電機２を発電機として用いる場合は、永久磁石形同期回転電機２によって発電された交流電力を電力変換器４（コンバータ）で直流電力に変換し、バッテリ５に供給する。これにより、変換された直流電力はバッテリ５に蓄電される。
【００２４】
図１乃至図３は永久磁石形同期回転電機２の構成を示す。図中１３はハウジング（固定子枠ともいう）である。ハウジング１３の内部には、軸方向に連続すると共に冷却水を流す冷却水流路１２が周方向に複数形成されている。ハウジング１３の内周側には固定子鉄心１０が焼ばめ或いは圧入などによって締結されている。固定子鉄心１０の内周部には、軸方向に連続すると共に固定子鉄心１０の内周表面に開口したスロット（溝ともいう）が周方向に複数形成されている。固定子鉄心１０のスロットには電機子巻線１１（固定子巻線又は一次巻線ともいう）が装着されている。
【００２５】
固定子鉄心１０の内周側には空隙を介して回転子２０が回転可能に設けられている。回転子２０は軸方向に二分割されて構成されており、シャフト２２（回転軸ともいう）に固定された第１の回転子２０Ａと、シャフト２２に対して分離可能に構成されていると共に、所定の方向のトルクを受けてシャフト２２上を回転しながら軸方向に移動可能な第２の回転子２０Ｂとを備えている。第１の回転子２０Ａには、磁石の極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石２１Ａが複数埋め込まれている。第２の回転子２０Ｂには、磁石の極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石２１Ｂが複数埋め込まれている。
【００２６】
第１の回転子２０Ａ，第２の回転子２０Ｂ及びシャフト２２はボルト・ナットの関係にある。すなわち第１の回転子２０Ａはボルトの頭部６１に相当し、シャフト２２はボルトのねじ部６０に相当する。第２の回転子２０ｂはナット６２に相当する。このため、第１の回転子２０Ａはシャフト２２に固定されている。シャフト２２の外周面には雄ねじが形成されている。第２の回転子２０ｂの内周面には、シャフト２２に形成された雄ねじと螺合する雌ねじが形成されている。従って、ある回転方向では、第２の回転子２０Ｂはシャフト２２上を回転しながら軸方向一方側に移動して第１の回転子２０Ａから離れる。回転方向が反対になると、第２の回転子２０Ｂはシャフト２２上を回転しながら軸方向他方側に移動して第１の回転子２０Ａと一体になる。
【００２７】
シャフト２２の一方側（第２の回転子２０ｂの第１の回転子２０Ａ側とは反対側）には、第２の回転子２０Ｂが固定子鉄心１０の軸方向端部から所定の変位以上はみ出さないようにするために、移動防止部材である環状のストッパー２４が設けられている。ストッパー２４の側部には、ストッパー２４の駆動機構であると共にサーボ機構であるアクチュエータ２５が設けられている。アクチュエータ２５の駆動によってストッパー２４は、シャフト２２上を軸方向両方向に移動することができる。本実施例によれば、ストッパー２４及びアクチュエータ２５からなる回転子位置可変手段により、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａに対する軸方向位置を任意の位置に可変することができ、永久磁石２１Ａと永久磁石２１Ｂで決まる有効磁束量をトルクの方向に応じて任意の量に制御することができる。
【００２８】
次に、本実施例の永久磁石形同期回転電機２の動作について説明する。界磁用として永久磁石を回転子に備えた回転電機では、電動機として動作する場合と発電機として動作する場合の回転子の回転方向が同じであれば、回転子が受けるトルクの方向は、電動機として動作する場合と発電機として動作する場合とで反対になる。また、回転子の回転方向が反対になれば、トルク方向も反対になる。本実施例では基本的に上記原理を用いたものであり、エンジン１の始動時など回転電機の低回転領域では電動機として、回転電機の高回転領域では発電機としてそれぞれ次のように動作させる。
【００２９】
エンジン１の始動時など回転電機の低回転領域では、図２に示すように、第１の回転子２０Ａと第２の回転子２０Ｂを、回転子２０に発生するトルク方向と永久磁石２１Ａ，２１Ｂ間の磁気作用力との釣合いによって接近させて一つの回転子とし、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの同極性のもの同士を軸方向に並ばせ、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの磁極の中心を揃える。すなわちナット６２を締め、ボルトの頭部６１とナット６２を接近させる。これにより、永久磁石による有効磁束量が最大になる。この結果、高トルク特性を得ることができる。
【００３０】
回転電機の高回転領域では、前述の電動機の場合と同様に回転方向は同じになるが、回転子が受けるトルク方向は前述の電動機とは反対になる。このため、図３に示すように、回転子２０に発生すると共に電動機として動作させたときとは反対のトルク方向によって第２の回転子２０Ｂを、シャフト２２上を回転させながら軸方向一方側（第１の回転子２０Ａ側とは反対側）に移動させて第１の回転子２０Ａから離し、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの磁極の中心をずらす。すなわちナット６２を弛め、ボルトの頭部６１からナット６２を離す。これにより、永久磁石による有効磁束量が減少する。換言すると弱め界磁効果がある。この結果、高出力発電特性を得ることができる。
【００３１】
次に、回転領域に応じて回転電機を上述のように動作させることについて、図５に基づいて説明する。図５（ａ）（ｂ）は、永久磁石形同期回転電機２の回転角速度ωに対する有効磁束Φ，誘導起電力Ｅの特性を示す。永久磁石形同期回転電機２の誘導起電力Ｅは、回転子２０に配置されている永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する有効磁束Φと回転角速度ωによって決定される。このため、例えば図５（ａ）に示すように、回転子２０に配置されている永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する有効磁束Φ１を一定として回転角速度ω（回転数）を上昇させると、誘導起電力Ｅ１は回転角速度ωに比例して上昇する。
【００３２】
ところが、永久磁石形同期回転電機２の回転領域の全域において同一の有効磁束で電動機或いは発電機として動作させた場合、例えばエンジン１の高回転領域において有効磁束Φ１で発電機として動作させた場合、永久磁石形同期回転電機２の誘導起電力Ｅ１はバッテリ５の充電電圧以上に上昇する。これにより、その電力を蓄電するバッテリ５は破損するので、永久磁石形同期回転電機２の誘導起電力をバッテリ５の充電電圧以下に抑える必要がある。このため、永久磁石形同期回転電機２を発電機として用いる場合、ある回転数以上の領域では、永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する磁束を減らす制御、いわゆる弱め界磁制御を行う必要がある。
【００３３】
そこで、本実施例では、図５（ａ）に示すように、回転角速度ω１を境にしてその低回転領域側では、永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する有効磁束をΦ１として誘導起電力Ｅ１を発生させる。回転角速度ω１の高回転領域側では、永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する有効磁束をΦ２に切替え、誘導起電力Ｅ１よりも低い誘導起電力Ｅ２を発生させる。これにより、永久磁石形同期回転電機２の誘導起電力の最大値を制限することができるので、エンジン１の高回転領域で永久磁石形同期回転電機２を発電機として用いても、バッテリ１の充電電圧以下の電圧でバッテリ１を充電することができる。従って、本実施例では、バッテリ１の破損を防止することができる。
【００３４】
尚、従来の回転電機は、固定子巻線に弱め界磁制御用電流を流して弱め界磁制御を行っていた。しかし、弱め界磁制御用電流は、回転角速度に比例して上昇する誘導起電力に応じて上昇させる必要があるので、固定子巻線に発生する熱が上昇する。このため、従来の回転電機では、高回転領域において、回転電機の効率の低下、冷却性能を超えた発熱による永久磁石の減磁など起こりうる可能性がある。この点、本実施例の永久磁石形同期回転電機２では、機械的な制御、すなわち回転子二分割による有効磁束の制御により弱め界磁制御を行っているので、上記問題は起こりえない。また、本実施例によれば、機械的な弱め界磁制御によって高回転領域における誘導起電力を抑え、永久磁石形同期回転電機２の効率を低下させることがないので、高回転領域において永久磁石形同期回転電機２を効率のよい状態でアシスト用として用いることができる。
【００３５】
また、本実施例では、図５（ｂ）に示すように、有効磁束Φを回転角速度ωに応じてより細かく変化させることにより、すなわちアクチュエータ２５によってストッパー２４を第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に徐々に移動させ、第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａから徐々に離することにより、回転角速度ω１の高回転領域側において永久磁石形同期回転電機２の発生する誘導起電力Ｅをほぼ一定に保つことができる。
【００３６】
図６は永久磁石形同期回転電機２の電源系統図を示す。エンジン１と機械的に連結された永久磁石形同期回転電機２の３相交流端子は電力変換器４（インバータ及びコンバータ）と電気的に接続されている。電力変換器４の直流側端子はバッテリ５（高電圧用）及び高電圧系統と電気的に接続されている。高電圧系統にはＤＣ−ＤＣコンバータ３０を介してヘッドランプ，オーディオなどを負荷機器とする低電圧系統及びバッテリ９（低電圧用）が電気的に接続されている。これにより、低電圧系統及びバッテリ９には、高電圧系統からＤＣ−ＤＣコンバータ３０によって降圧された電力が供給される。
【００３７】
車両には、永久磁石形同期回転電機２の駆動を制御する制御装置３１と、エンジン１のスロットル開度，燃料噴射量などを制御するエンジン制御装置３２が設けられている。制御装置３１とエンジン制御装置３２との間は、通信線或いは通信網（例えば車内ＬＡＮ(Local Area Network)）若しくは無線などの通信手段によって情報伝送或いはダイレクトメモリアクセスなどができるように構成されている。このように制御装置３１とエンジン制御装置３２との間で情報通信を行うことにより、永久磁石形同期回転電機２とエンジン１を協調制御することができる。
【００３８】
図７は制御装置３１の構成を示す。制御装置３１は、永久磁石同期回転電機２の運転モード切替え、すなわち駆動モード（電動機）と発電モード（発電機）のを切替えと、永久磁石同期回転電機２の駆動を制御すべく指令値の生成とを車両の運転状態に応じて行う。永久磁石同期回転電機２の駆動制御は、制御装置３１から出力された指令値に基づいて電力変換器４（インバータ１０４）を制御することにより行われる。永久磁石同期回転電機２の運転モードの切替えは、車両の運転状態に応じてストッパー２４を駆動するアクチュエータ２５を制御することにより行われる。
【００３９】
制御装置３１には、エンジン制御装置３２及び車載機器に取付けられた各種センサからの情報として、例えばバッテリ残量，車両の運転モード，スロットル開度などの状態信号が入力される。また、制御装置３１には、永久磁石同期回転電機２の回転数と磁極位置及び永久磁石同期回転電機２に供給される三相交流電流のうちの二相分がフィードバックされる。
【００４０】
運転判断部１０１には、エンジン制御装置３２及び車載機器に取付けられた各種センサから出力された信号と、速度変換部１０８から出力された角速度ωが入力される。運転判断部１０１はそれらの信号に基づいて永久磁石形同期回転電機２の運転動作を判断し、回転座標系（ｄ−ｑ軸）の電流指令値ｉd *，ｉq *を出力する。ここで、回転座標系とは、回転電機の磁極位置（磁束）の方向をｄ軸、ｄ軸に電気的に直交する方向をｑ軸として構成した座標を意味する。従って、ｉd *はｄ軸電流指令値であり、ｉq *はｑ軸電流指令値である。尚、速度変換部１０８は、検出器１０６によって検出された永久磁石形同期回転電機２の回転数に基づいて角速度値ωを出力する。また、永久磁石形同期回転電機２の回転数の代わりとして、エンジン回転数，変速機がある場合にはエンジン回転数の逓倍した値などを用いてもよい。
【００４１】
電流制御部１０２には、速度変換部１０８から出力された角速度ωと、運転判断部１０１から出力された電流指令値ｉd *，ｉq *と、座標変換部１０５から出力された電流値ｉd，ｉqが入力される。電流制御部１０２は、角速度ω及び電流指令値ｉd *，ｉq *と電流値ｉd，ｉqとの差分に基づいて電圧指令値ｖd *，ｖq *を出力する。尚、座標変換部１０５は、インバータ１０４から出力された三相交流電流のうちｕ相電流ｉu *，ｗ相電流ｉw *と、磁極位置変換部１０７から出力された磁極位置に基づいて電流値ｉd，ｉqを出力する。また、磁極位置変換部１０７は、検出器１０６によって検出された永久磁石形同期回転電機２の磁極位置に基づいて磁極位置を出力する。
【００４２】
三相変換部１０３には、磁極位置変換部１０７から出力された磁極位置，電流制御部１０２から出力された電圧指令値ｖd *，ｖq *が入力される。三相変換部
１０３はそれらの信号に基づいてｕ相電圧指令値ｖu ，ｖ相電圧指令値ｖv ，ｗ相電圧指令値ｖw を出力する。ｕ相電圧指令値ｖu ，ｖ相電圧指令値ｖv ，ｗ相電圧指令値ｖw はインバータ１０４に入力され、インバータ１０４から永久磁石形同期回転電機２に供給される電流を制御する。これにより、永久磁石形同期回転電機２は駆動制御される。
【００４３】
（実施例２）
本発明の第２実施例を図８乃至図１０に基づいて説明する。図８乃至図１０は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第１実施例の改良例である。第１実施例と同様に、軸方向に連続すると共に冷却水を流す冷却水流路１２が周方向に複数形成されハウジング１３の内周側には、電機子巻線１１をストットに装着してなる固定子鉄心１０が締結されている。ハウジング１３の両端部には、枠部材である環状のエンドブラケット４９が設けられている。エンドブラケット４９の内周側には、シャフト２２を回転可能に支持する軸受装置５０が設けられている。
【００４４】
固定子鉄心１０の内周側に回転可能に配置された回転子２０は、第１実施例と同様に、軸方向に二分割されて構成されており、シャフト２２に固定された第１の回転子２０Ａと、シャフト２２に対して分離可能に構成されていると共に、所定の方向のトルクを受けてシャフト２２上を回転しながら軸方向に移動可能な第２の回転子２０Ｂとを備えている。第１の回転子２０Ａには、磁石の極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石２１Ａが複数埋め込まれている。第２の回転子２０Ｂには、磁石の極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石２１Ｂが複数埋め込まれている。尚、第２の回転子２０Ｂの内径はシャフト２２の外径よりも大きく形成されている。
【００４５】
第２の回転子２０Ｂの内周面には、軸方向に連続した凹凸が周方向に複数形成されている。第２の回転子２０Ｂの内周側には、その内周面の形状（凹凸）に合致する形状、すなわち軸方向に連続した凹凸が外周面の周方向に複数形成されたスリーブ４１が嵌め込まれている。スリーブ４１の内周側には、内周面に雌ねじが形成されたナット部材２３Ｂが固着されている。ナット部材２３Ｂは、シャフト２２の外周面に形成されたねじ部２３Ａ（雄ねじ）と螺合する、すなわちボルト・ナットの関係にある。スリーブ４１の内周側かつナット部材２３Ｂの両側には環状の支持部材４０Ａ，４０Ｂが所定の間隔をもって固着されている。支持部材４０Ａ，４０Ｂ第２の回転子２０Ｂの回転運動と軸方向の往復運動を案内するものである。支持部材４０Ａと第１の回転子２０Ａとの間には、弾性体であるばね４８が設けられている。ばね４８は第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側とは反対側に押す力を発生する。
【００４６】
ここで、第２の回転子２０Ｂの内周側にスリーブ４１を設けるのは、シャフト２２やナット部材２３Ｂなどに生じる電食などを防止するためである。すなわち第２の回転子２０Ｂの内周側とシャフト２２との間にわずかな遊びがあると、回転と共に第２の回転子２０Ｂの内周側とシャフト２２との間に鎖交磁束変化が生じ、電食などの障害が生じる。このため、本実施例では、第２の回転子２０Ｂの内周側にスリーブ４１を設け、第２の回転子２０Ｂの内周側とシャフト２２との間を磁気的に遮蔽している。従って、スリーブ１１は、鉄より電気抵抗率が高い非磁性体によって形成されている。また、スリーブ１１には電気的な絶縁効果もある。
【００４７】
第２の回転子２０Ｂの側方（第１の回転子２０Ａ側とは反対側）には軸方向に移動可能なストッパー２４が設けられている。ストッパー２４の側方（第２の回転子２０Ｂ側とは反対側）には、ストッパー２４を駆動するサーボ機構である電磁クラッチ４４が設けられている。
【００４８】
ストッパー２４は、電磁クラッチ４４を構成する環状の可動鉄心２４ａと、可動鉄心２４ａの内周側とシャフト２２の外周側との間に設けられた支持部材４７と、可動鉄心２４ａの側面（第２の回転子２０Ｂ側）と第２の回転子２０Ｂの側面（可動鉄心２４ａ側）との間に設けらた支持部材４２から構成されている。支持部材４７は、回転するシャフト２２上に可動鉄心２４ａを支持することができるラジアル軸受であると共に、可動鉄心２４ａを軸方向に移動させることができるものである。支持部材４２は、回転する第２の回転子２０Ｂの側面に可動鉄心２４ａを支持することができるスラスト軸受であり、第２の回転子２０Ｂと可動鉄心２４ａを機械的に接続するものでもある。
【００４９】
電磁クラッチ４４は、ストッパー２４の部材を兼用する可動鉄心２４ａと、第２の回転子２０Ｂ側エンドブラケット４９の側面に設けられた環状のヨーク４４と、ヨーク４４の環状の溝に装着されたコイル４６と、第２の回転子２０Ｂ側エンドブラケット４９の側面と可動鉄心２４ａとの間かつヨーク４４の内方に設けられたばね４５から構成されている。ヨーク４４とコイル４６は電磁力発生部であり、コイル４６に電流が流れてコイル４６が励磁されると、吸引する電磁力を発生する。この吸引する電磁力により、可動鉄心２４ａは第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に移動することができる。弾性体であるばね４５は、可動鉄心２４ａを第２の回転子２０Ｂ側に押す力を発生させるものである。これにより、可動鉄心２４ａは第２の回転子２０Ｂ側に移動することができる。この時、コイル４６の励磁は遮断されている。尚、本実施例では、電磁クラッチ４４をエンドブラケット４９に取付けた場合について説明したが、永久磁石形同期回転電機が搭載される例えば車両の車体の一部にそれを取付け、エンドブラケット４９を省略しても構わない。
【００５０】
以上のように構成された本実施例の永久磁石形同期回転電機においても第１実施例と同様に、回転電機の低回転領域では電動機として、回転電機の高回転領域では発電機として動作させる。
【００５１】
回転電機の低回転領域では、第１の回転子２０Ａと第２の回転子２０Ｂを、回転子２０に発生するトルク方向と永久磁石２１Ａ，２１Ｂ間の磁気作用力との釣合いによって接近させて一つの回転子とし、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの同極性のもの同士を軸方向に並ばせ、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの磁極の中心を揃える。これにより、永久磁石による有効磁束量が最大になる。この結果、高トルク特性を得ることができる。図８はこの状態を示す。
【００５２】
この時、コイル４６は無励磁状態であるので、可動鉄心２４ａは第２の回転子２０Ｂによって引かれると共に、ばね４５の作用によって第２の回転子２０Ｂ側に押され、第２の回転子２０Ｂと共に移動するので、第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の位置を保持することができる。また、ばね４８の作用によって第２の回転子２０Ｂを可動鉄心２４ａ側に一定の力で押さえているので、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側へ移動する勢いを抑えることができ、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａへの衝突などによる機器の破損などを防止することができる。また、ばね４８の作用によって第２の回転子２０Ｂを可動鉄心２４ａ側に一定の力で押さえているので、支持部材４２のスラスト軸受としての機能を向上させることができる。尚、コイル４６の励磁を制御することにより、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側への移動する勢いを抑えてもよい。また、コイル４６の励磁を制御して第２の回転子２０Ｂの軸方向の移動する力を釣り合わせることにより、回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向位置を任意に変えることができる。
【００５３】
回転電機の高回転領域では、前述の電動機の場合と同様に回転方向は同じになるが、回転子が受けるトルク方向は前述の電動機とは反対になる。このため、回転子２０に発生すると共に電動機として動作させたときとは反対のトルク方向によって第２の回転子２０Ｂを、シャフト２２上を回転させながら軸方向を第１の回転子２０Ａ側とは反対側に移動させて第１の回転子２０Ａから離し、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの磁極の中心をずらす。これにより、永久磁石による有効磁束量が減少する。換言すると弱め界磁効果がある。この結果、高出力発電特性を得ることができる。
【００５４】
この時、コイル４６は励磁状態であるので、可動鉄心２４ａは、電磁力発生部で発生された電磁力によって第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に吸引されると共に、第２の回転子２０Ｂによって押され、第２の回転子２０Ｂと共に移動するので、第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の位置を保持することができる。また、ばね４５の作用及びコイル４６の励磁の制御によって第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側に一定の力で押さえているので、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側とは反対側への移動する勢いを抑えることができ、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側とは反対側への移動しすぎによるナット部材２３Ｂのねじ及びシャフト２２のねじ部２３Ａの破損などを防ぐことができる。また、ばね４８の作用によって第２の回転子２０Ｂを可動鉄心２４ａ側に一定の力で押さえているので、支持部材４２のスラスト軸受としての機能を向上させることができる。尚、コイル４６の励磁を制御して第２の回転子２０Ｂの軸方向の移動する力を釣り合わせることにより、回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向位置を任意に変えることができる。
【００５５】
尚、本実施例では、ストッパー２４を駆動するものとして電磁クラッチ４４を用いたが、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどの組合わせによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることにより、ストッパー２４の軸方向の位置をより細かく制御することができる。
【００５６】
（実施例３）
本発明の第３実施例を図１１に基づいて説明する。図１１は本実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を示す。本実施例は、前述した第２実施例の改良例である。以下、前例と異なる部分のみ説明する。
【００５７】
本実施例では、第１の回転子２０Ａの側面（第２の回転子２０Ｂ側の側面）の内周部に、シャフト２２の外径よりも大きな内径を有する凹部５３が設けられている。第１の回転子２０Ａの凹部５３と対向する第２の回転子２０Ｂの側面には、凹部５３の内径よりも小さいと共に、シャフト２２の外径よりも大きくかつ第２の回転子２０Ｂの内径と同じ大きさの内径を有する突起部５４（凸部）が設けられている。このような構成は、第２の回転子２０Ｂの軸方向の厚さが薄い場合に有効なものである。
【００５８】
第２の回転子２０Ｂの内周側及び突起部５４の内周側にはスリーブ４１が嵌め込まれている。スリーブ４１は前例と同様のものである。尚、スリーブ４１は突起部５４と一体ものであってもよいし、第２の回転子２０Ｂと一体ものであってもよい。スリーブ４１の内周側には、前例と同様に、ナット部材２３Ｂ及び支持部材４０Ａ，４０Ｂが固着されている。
【００５９】
第１の回転子２０Ａと支持部材４０Ａとの間には、弾性体であるばね４８が設けられている。ばね４８は、第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側とは反対側に押す力を発生するものである。支持部材４０Ｂとストッパー２４との間には、弾性体であるばね５１が設けられている。ばね５１は、第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側に押す力を発生するものである。本実施例によれば、ばね４８，５１の作用によって第２の回転子２０Ｂの移動する勢いを抑えることができると共に、第２の回転子２０Ｂの軸方向の移動を補助することができ、かつ第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の位置を保持することができる。
【００６０】
（実施例４）
本発明の第４実施例を図１２に基づいて説明する。図１２は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第２実施例の変形例であり、電磁クラッチ４４とストッパー２４からなる回転子位置可変手段の構成が前述した第２実施例と異なる。尚、本図ではコイル４６が励磁されている状態を示す。
【００６１】
本実施例では、ストッパー２４の部材を兼用する可動鉄心２４ａの断面形状がＬ字状になっている。可動鉄心２４ａの第２の回転子２０Ｂ側には、電磁クラッチ４４のヨーク４４ａが配置されている。ヨーク４４ａは、その外周側に取付けられたアーム５２を介してエンドブラケット４９に支持されている。スラスト軸受を構成する支持部材４２と可動鉄心２４ａとの間にはばね４５が設けられている。ばね４５は、可動鉄心２４ａを第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に押す力を発生するものである。尚、本実施例では、電磁クラッチ４４をエンドブラケット４９に取付けた場合について説明したが、永久磁石形同期回転電機が搭載される例えば車両の車体の一部にそれを取付け、エンドブラケット４９を省略しても構わない。
【００６２】
本実施例によれば、永久磁石形同期回転電機を回転電機の低回転領域で電動機として動作させる場合には、コイル４６を励磁して吸引力を発生させ、この吸引力及び第２の回転子２０Ｂからの引張力により、可動鉄心２４ａを第２の回転子２０Ｂ側に移動させる。永久磁石形同期回転電機を回転電機の高回転領域で発電機として動作させる場合には、コイル４６の励磁を切り、ばね４５の作用及び第２の回転子２０Ｂからの押す力により、可動鉄心２４ａを第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に移動させる。すなわち本実施例の回転子位置可変手段は、第２実施例のものと作用が反対であるものの、達成できる効果は第２実施例の効果と同様である。
【００６３】
尚、本実施例では、ストッパー２４を駆動するものとして電磁クラッチ４４を用いたが、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどの組合わせによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることにより、ストッパー２４の軸方向の位置をより細かく制御することができる。
【００６４】
（実施例５）
本発明の第５実施例を図１３に基づいて説明する。図１３は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第３実施例の変形例であり、第１の回転子２０Ａに設けた凹部，第２の回転子２０Ｂに設けた突起部がない場合の例である。本実施例においても、ばね４８，５１の作用によって第２の回転子２０Ｂの移動する勢いを抑えることができると共に、第２の回転子２０Ｂの軸方向の移動を補助することができ、かつ第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の位置を保持することができる。
【００６５】
（実施例６）
本発明の第６実施例を図１４に基づいて説明する。図１４は本実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を示す。本実施例は、前述した第１実施例の変形例であり、第２の回転子２０Ｂに形成されたねじ部２３Ｂとシャフト２２に形成されたねじ部２３Ａからなる機構の代わりに、回転角θ分可変できる機構を第２の回転子２０Ｂに設けたものである。
【００６６】
このため、第２の回転子２０Ｂの内周側の対向する２箇所には、軸方向に連続した凸部が形成されている。シャフト２２の外周側の第２の回転子２０Ｂの凸部と対向する部分には、軸方向に連続する凹部が形成されている。シャフト２２の凹部の周方向幅は第２の回転子２０Ｂの凸部の周方向幅よりも大きく形成されている。これにより、第１の回転子２０Ａに対して第２の回転子２０Ｂを所定の回転角θ分回転させることができると共に、シャフト２２上を軸方向に移動させることができる。第２の回転子２０Ｂの凸部の周方向両側とシャフト２２の凹部との間にはスプリング２６とダンパー２７が設けられている。このスプリング２６とダンパー２７を設けることにより、第２の回転子２０Ｂの凸部とシャフト２２の凹部の急な衝突を和らげることができる。
【００６７】
（実施例７）
本発明の第７実施例を図１５に基づいて説明する。図１５は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第５実施例の変形例であり、固定子鉄心１０と第１の回転子２０Ａとの間の空隙寸法Ｇａｐ１と、固定子鉄心１０と第２の回転子２０Ｂとの間の空隙寸法Ｇａｐ２を異ならせたものである。
【００６８】
第１の回転子２０Ａはシャフト２２に固定されているのに対して、第２の回転子２０Ｂはシャフト２２に対して分離可能に構成されている。従って、第２の回転子２０Ｂとシャフト２２との間にはわずかな機械的な寸法の遊びがあり、第２の回転子２０Ｂに大きなトルクや遠心力などが加わると、第２の回転子２０Ｂが偏心する可能性があり得る。このため、本実施例では、Ｇａｐ２をＧａｐ１よりも大きく設定し、第２の回転子２０Ｂと固定子鉄心１０との接触による機械的な破損を防止している。
【００６９】
（実施例８）
本発明の第８実施例を図１６に基づいて説明する。図１６は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第５実施例の変形例であり、第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の変位Ｌ１，Ｌ２を変位測定器６４で検出し、この検出された変位Ｌ１，Ｌ２を、永久磁石形同期回転電機の駆動を制御する制御装置にフィードバックするものである。すなわち第２の回転子２０Ｂが第１の回転子２０Ａに対して回転角θでずれる場合、そのずれに基づいて永久磁石形同期回転電機に供給される電流の進角を補正する必要がある。また、第２の回転子２０Ｂの回転角θと軸方向の変位量ΔＬは比例関係にある。
【００７０】
そこで、本実施例では、第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の変位Ｌ１，Ｌ２を制御装置にフィードバックして変位差ΔＬを求め、この求められた変位差ΔＬに基づいて電力変換器から永久磁石形同期回転電機に供給される電流の進角を補正している。本実施例によれば、この電流の進角を補正により、永久磁石形同期回転電機を最適に制御することができる。
【００７１】
（実施例９）
本発明の第９実施例を図１７に基づいて説明する。図１７は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例はこれまでの実施例とは異なり、第１の回転子２０Ａに対して第２の回転子２０Ｂを相対的に軸方向のみ移動させるように構成したものである。
【００７２】
このため、第２の回転子２０Ｂの内周側の対向する２箇所には、軸方向に連続する凸部６３Ｂが形成されている。シャフト２２の外周側の第２の回転子２０Ｂの凸部６３Ｂと対向する部分には、軸方向に連続すると共に第２の回転子２０Ｂの凸部が嵌る凹状の溝６３Ａが形成されている。これにより、シャフト２２の溝６３Ａが第２の回転子２０Ｂの凸部６３Ｂの案内となり、第２の回転子２０Ｂはシャフト２２上を軸方向に移動する。第１の回転子２０Ａと第２の回転子２０Ｂとの間には、弾性体であるばね４８が設けられている。ばね４８は、第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側とは反対側に押す力を発生させる。第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側とは反対側には、ストッパー２４と、サーボ機構でありストッパー２４の駆動機構であるアクチュエータ２５からなる回転子位置可変手段が設けられている。
【００７３】
このように構成された本実施例では、永久磁石形同期回転電機の回転数（角速度）に応じてアクチュエータ２５を駆動し、ストッパー２４の軸方向の位置を変えることにより、第２の回転子２０Ｂを軸方向に移動させ、永久磁石形同期回転電機を電動機或いは発電機として動作させることができる。すなわち回転電機の低回転領域では、ストッパー２４を第２の回転子２０Ｂ側に移動させることにより、第２の回転子２０Ｂをばね４８の力に逆らわせて第１の回転子２０Ａ側に移動させることができる。これにより、第１の回転子２０Ａと第２の回転子２０Ｂを近接させることができ、永久磁石形同期回転電機を電動機として動作させることができる。また、回転電機の高回転領域では、ストッパー２４を第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に移動させることにより、第２の回転子２０Ｂをばね４８の力によって第１の回転子２０Ａ側とは反対側に移動させることができる。これにより、第１の回転子２０Ａから第２の回転子２０Ｂを離すことができ、永久磁石形同期回転電機を発電機として動作させることができる。
【００７４】
以上の説明においては、永久磁石形同期回転電機を４極機とした場合を例にとり説明したが、以上の実施例の構成は４極機に限定されるものではなく、２極機或いは６極機若しくは図１８に示すような８極機、さらにはそれ以上の極数機にも適用することができる。回転子への永久磁石の取付け方としては、図１８に示すように、回転子の内部に永久磁石を取付けたいわゆる埋め込み磁石型、或いは回転子の表面に永久磁石を取付けたいわゆる表面磁石型のどちらを用いても構わない。
【００７５】
（実施例１０）
本発明の第１０実施例を図１９に基づいて説明する。図１９は本実施例の自動車の駆動装置の配置構成を示す。本実施例の駆動装置は、エンジン１のクランクプーリ６と、永久磁石形同期回転電機２のシャフトに結合されたプーリ８が金属ベルト７で連結されたものである。従って、エンジン１永久磁石形同期回転電機２は並列に配置されている。尚、クランププーリ６とプーリ８とを連結するものとしてチェーン或いは歯付ベルトを用いてもよい。また、クランクプーリ６とプーリ８の代わりにギアを介して連結しても構わない。永久磁石形同期回転電機２としては、前述した第１実施例乃至第９実施例のいずれかの永久磁石形同期回転電機を用いている。尚、図中符号３は、エンジン１に直結されたトランスミッション、符号５は、電力変換器４を介して永久磁石形同期回転電機２と電気的に接続されたバッテリである。電力変換器４はインバータとコンバータの両方の機能を備えたものである。また、本実施例の自動車の駆動装置においては、永久磁石形同期回転電機２を電動機単体或いは発電機単体若しくはモータジェネレータのどの形で用いてもよい。
【００７６】
本実施例によれば、クランクプーリ６，金属ベルト７，プーリ８によって、エンジン１と永久磁石形同期回転電機２の間にある速比をもった変速機構を構成することができる。例えばクランクプーリ６とプーリ８の半径比を２：１にすることにより、永久磁石形同期回転電機２をエンジン１の２倍の速度で回転させることができ、エンジン１の始動時、永久磁石形同期回転電機２のトルクをエンジン１の始動に必要なトルクの１／２にすることができる。従って、永久磁石形同期回転電機２を小型化することができる。
【００７７】
（実施例１１）
本発明の第１１実施例を図２０に基づいて説明する。図２０は本実施例の自動車の駆動装置の配置構成を示す。本実施例は、前述した第１０実施例の変形例であり、エンジン１に連結された永久磁石形同期回転電機２Ａの他に、前述した第１実施例乃至第９実施例のいずれかの永久磁石形同期回転電機を、図２０（ａ）（ｂ）に示すように、エンジン１によって駆動される車輪（前輪）とは異なる車輪（後輪）の駆動用として搭載したものである。すなわち４輪駆動車に適用した例を示す。
【００７８】
図２０（ａ）では、エンジン１によって駆動される車輪（前輪）とは異なる車輪（後輪）の駆動軸と永久磁石形同期回転電機２Ｂとをギアを介して連結している。尚、永久磁石形同期回転電機２Ｂとデファレンシャルギアと組合わせてエンジン１や永久磁石形同期回転電機２Ａと連携して駆動してもよい。図２０（ｂ）では、エンジン１によって駆動される車輪（前輪）とは異なる車輪（後輪）のそれぞれに永久磁石形同期回転電機２Ｃを連結、すなわちホイールインモータタイプとして連結している。
【００７９】
（実施例１２）
本発明の第１２実施例を図２１に基づき説明する。図２１は本実施例の電気自動車の駆動装置の配置構成を示す。電気自動車は、内燃機関であるエンジンを搭載していない車両であり、電力変換器４を介して供給されたバッテリ５の電力によって永久磁石形同期回転電機２を駆動し、車両を駆動させるようにしたものである。図２１（ａ）はトランスミッション３を介して永久磁石形同期回転電機２と後輪の駆動軸とを連結したものである。図２１（ｂ）は永久磁石形同期回転電機２と前輪の駆動軸とを直結したものである。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得ることができる回転電機及びそれを搭載した車両を提供することができる。また、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得ることができると共に、機械的な信頼性を向上させることができる回転電機及びそれを搭載した車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図２】図１の永久磁石形同期回転電機の回転子の動作を説明するための図であり、回転子の磁極中心が揃った状態を示す。
【図３】図１の永久磁石形同期回転電機の回転子の動作を説明するための図であり、回転子の磁極中心がずれた状態を示す。
【図４】第１実施例のハイブリット車の駆動装置の配置構成を示す平面図であり、エンジンと永久磁石形同期回転電機が直結されたタイプのものを示す。
【図５】図１の永久磁石形同期回転電機の回転角速度ωに対する誘導起電力Ｅと磁束Φの関係を示す特性図。
【図６】図１の永久磁石形同期回転電機の電源系統の構成を示す系統図。
【図７】図１の永久磁石形同期回転電機の制御装置の構成を示すブロック図。
【図８】第２実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図であり、電磁クラッチのコイルが励磁されていない状態を示す。
【図９】第２実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図であり、電磁クラッチのコイルが励磁された状態を示す。
【図１０】第２実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を詳細に示す詳細図。
【図１１】第３実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を詳細に示す詳細図。
【図１２】第４実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１３】第５実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１４】第６実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を詳細に示す詳細図。
【図１５】第７実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１６】第８実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１７】第９実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１８】永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を説明するための図。
【図１９】第１０実施例の自動車の駆動装置の配置構成を示す平面図。
【図２０】第１１実施例の４輪駆動車の駆動装置の配置構成を示す平面図。
【図２１】第１２実施例の電気自動車の駆動装置の配置構成を示す平面図。
【符号の説明】
１…エンジン、２…永久磁石形同期回転電機、３…トランスミッション、４…電力変換器、５…バッテリ、１０…固定子鉄心、１１…電機子巻線、１２…冷却水流路、１３…ハウジング、２０…回転子、２０Ａ…第１の回転子、２０Ｂ…第２の回転子、２１Ａ，２１Ｂ…永久磁石、２２…シャフト、２３Ａ，２３Ｂ…ねじ部、２４…ストッパー、２５…アクチュエータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転数に応じて有効磁束量を可変することができる回転電機及びそれを搭載した車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転電機、特にハイブリット自動車や電気自動車などの車両に搭載された永久磁石界磁形回転電機は、回転子に配置されている永久磁石が発生する一定磁束と回転電機の回転角速度によって誘導起電力が決定される。すなわち回転電機の回転角速度が上昇すると、回転電機の誘導起電力は比例して上昇する。従って、永久磁石界磁形回転電機では高トルクが得られるが、回転数の可変範囲が狭いために高回転領域の運転は困難であった。そこで、従来は、弱め界磁制御によって高回転領域を広げていた。
【０００３】
また、従来の回転電機は、回転領域に合わせて設計されていたので、低回転領域及び高回転領域の両方が必要な場合は、例えば特開平９−１３２０４２号公報に記載されているように、それぞれの領域を満足する回転電機をそれぞれ用意し、用いていた。また、特開平７−２９８６９６号公報に記載されているように、一つの回転電機で駆動・発電モードを切替えることができるものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の弱め界磁制御は、固定子巻線に弱め界磁制御用電流を流して弱め界磁制御を行っていた。しかし、弱め界磁制御用電流は、回転角速度に比例して上昇する誘導起電力に応じて上昇させる必要があるので、固定子巻線に発生する熱が上昇する。このため、従来の回転電機では、高回転領域において、回転電機の効率の低下、冷却性能を超えた発熱による永久磁石の減磁など起こりうる可能性がある。また、それぞれの領域を満足する回転電機をそれぞれ用意する場合は、各々を駆動するための電力変換装置や制御装置が必要になり、システム構成の複雑化及びコストアップの要因になる。
【０００５】
本発明の代表的な目的は、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得ることができる回転電機及びそれを搭載した車両を提供することにある。また、本発明の他の代表的な目的は、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得ることができると共に、機械的な信頼性を向上させることができる回転電機及びそれを搭載した車両を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本的な特徴は、機械的な制御、すなわち回転子二分割による有効磁束の制御により、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得るようにしたことにある。具体的には、極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子を軸方向に二分割し、二分割された回転子の一方を、回転子のトルク方向に応じて、二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を変化させる、或いは回転子のトルク方向に応じて、界磁用磁石の合成した磁極の位相を、二分割された回転子の他方の磁極に対して変化させる。これにより、本発明は、固定子巻線に弱め界磁制御用電流を流さなくとも弱め界磁制御を行えるようにしたものである。また、本発明は、二分割された回転子の一方をその軸方向両側から支持機構によって支持することにより、二分割された回転子の一方の軸方向の移動力を緩和している。
【０００７】
ここに、本発明の代表的な実施形態を列挙すると次のようになる。
【０００８】
巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【０００９】
巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記界磁用磁石のそれぞれの磁極中心を、前記二分割された回転子の他方の同じ極性の前記界磁用磁石の磁極中心に対して変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【００１０】
巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を、前記二分割された回転子の一方に配置された界磁用磁石の磁極中心と前記二分割された回転子の他方に配置された界磁用磁石の磁極中心をずらしながら変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【００１２】
巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を、前記二分割された回転子の一方に配置された界磁用磁石の磁極中心と前記二分割された回転子の他方に配置された界磁用磁石の磁極中心を揃えた状態で変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【００１４】
巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石、及び該第１の界磁用磁石に対して相対回転が可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石を有すると共に、前記第１及び第２の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向する回転子と、前記第１の界磁用磁石のそれぞれの磁極中心に対して、前記第２の界磁用磁石の同じ極性のものの磁極中心を回転子のトルク方向に伴い変化させる機構とを有し、前記トルク方向に伴い変化させる機構は、回転子に発生するトルク方向と前記第１及び第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１及び第２の界磁用磁石の同じ極性のもの同士の磁極中心を揃える手段と、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い前記第１及び第２の界磁用磁石の同じ極性のもの同士の磁極中心をずらす手段とを有し、前記第２の界磁用磁石はその軸方向両側から支持機構によって支持されている回転電機。
【００１５】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記バッテリから供給される電力によって駆動されて前記内燃機関を駆動し、かつ前記内燃機関からの動力によって駆動されて発電して前記バッテリに電力を供給する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００１６】
電力の充放電を行うバッテリと、該バッテリから供給される電力によって車輪を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００１７】
前輪或いは後輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記バッテリから供給される電力によって駆動されると共に前輪或いは後輪を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００１８】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記バッテリから供給される電力によって駆動されて前記内燃機関を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００１９】
車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記内燃機関からの動力によって駆動されて発電して前記バッテリに電力を供給する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は上記いずれかに記載の回転電機である車両。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の第１実施例を図１乃至図８に基づいて説明する。図４は本実施例のハイブリット車の駆動装置の配置構成を示す。本実施例の駆動装置は、車両の駆動力を発生する内燃機関であるエンジン１と、車両の変速機であるトランスミッション３との間に永久磁石形同期回転電機２が機械的に連結されたものである。エンジン１と永久磁石形同期回転電機２との連結には、図示省略したエンジン１の出力軸（クランク軸ともいう）と永久磁石形同期回転電機２の回転軸とを直結する方法、或いは遊星歯車減速機構などで構成された変速機を介して連結する方法が採られている。
【００２１】
一方、トランスミッション３と永久磁石形同期回転電機２との連結には、図示省略したトランスミッション３の入力軸と永久磁石形同期回転電機２の回転軸とを、動力遮断手段であるクラッチを介して、或いは流体を利用した流体継手又はトルクコンバータを介して連結する方法が採られる。このように、トランスミッション３と永久磁石形同期回転電機２との連結にクラッチ或いは流体継手又はトルクコンバータを用いることにより、永久磁石形同期回転電機２によってエンジン１を始動することができると共に、エンジン１の始動後、エンジン１の駆動力或いはエンジン１の駆動力と永久磁石形同期回転電機２の駆動力をトランスミッション３の入力軸に伝達することができる。
【００２２】
永久磁石形同期回転電機２は、電動機或いは発電機として動作することが可能なものである。永久磁石形同期回転電機２には電力変換器４を介して蓄電手段であるバッテリ５が電気的に接続されている。
【００２３】
永久磁石形同期回転電機２を電動機として用いる場合は、バッテリ５から出力された直流電力を電力変換器４（インバータ）で交流電力に変換し、永久磁石形同期回転電機２に供給する。これにより、永久磁石形同期回転電機２は駆動される。永久磁石形同期回転電機２の駆動力はエンジン１の始動用或いはアシスト用として用いられる。一方、永久磁石形同期回転電機２を発電機として用いる場合は、永久磁石形同期回転電機２によって発電された交流電力を電力変換器４（コンバータ）で直流電力に変換し、バッテリ５に供給する。これにより、変換された直流電力はバッテリ５に蓄電される。
【００２４】
図１乃至図３は永久磁石形同期回転電機２の構成を示す。図中１３はハウジング（固定子枠ともいう）である。ハウジング１３の内部には、軸方向に連続すると共に冷却水を流す冷却水流路１２が周方向に複数形成されている。ハウジング１３の内周側には固定子鉄心１０が焼ばめ或いは圧入などによって締結されている。固定子鉄心１０の内周部には、軸方向に連続すると共に固定子鉄心１０の内周表面に開口したスロット（溝ともいう）が周方向に複数形成されている。固定子鉄心１０のスロットには電機子巻線１１（固定子巻線又は一次巻線ともいう）が装着されている。
【００２５】
固定子鉄心１０の内周側には空隙を介して回転子２０が回転可能に設けられている。回転子２０は軸方向に二分割されて構成されており、シャフト２２（回転軸ともいう）に固定された第１の回転子２０Ａと、シャフト２２に対して分離可能に構成されていると共に、所定の方向のトルクを受けてシャフト２２上を回転しながら軸方向に移動可能な第２の回転子２０Ｂとを備えている。第１の回転子２０Ａには、磁石の極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石２１Ａが複数埋め込まれている。第２の回転子２０Ｂには、磁石の極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石２１Ｂが複数埋め込まれている。
【００２６】
第１の回転子２０Ａ，第２の回転子２０Ｂ及びシャフト２２はボルト・ナットの関係にある。すなわち第１の回転子２０Ａはボルトの頭部６１に相当し、シャフト２２はボルトのねじ部６０に相当する。第２の回転子２０ｂはナット６２に相当する。このため、第１の回転子２０Ａはシャフト２２に固定されている。シャフト２２の外周面には雄ねじが形成されている。第２の回転子２０ｂの内周面には、シャフト２２に形成された雄ねじと螺合する雌ねじが形成されている。従って、ある回転方向では、第２の回転子２０Ｂはシャフト２２上を回転しながら軸方向一方側に移動して第１の回転子２０Ａから離れる。回転方向が反対になると、第２の回転子２０Ｂはシャフト２２上を回転しながら軸方向他方側に移動して第１の回転子２０Ａと一体になる。
【００２７】
シャフト２２の一方側（第２の回転子２０ｂの第１の回転子２０Ａ側とは反対側）には、第２の回転子２０Ｂが固定子鉄心１０の軸方向端部から所定の変位以上はみ出さないようにするために、移動防止部材である環状のストッパー２４が設けられている。ストッパー２４の側部には、ストッパー２４の駆動機構であると共にサーボ機構であるアクチュエータ２５が設けられている。アクチュエータ２５の駆動によってストッパー２４は、シャフト２２上を軸方向両方向に移動することができる。本実施例によれば、ストッパー２４及びアクチュエータ２５からなる回転子位置可変手段により、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａに対する軸方向位置を任意の位置に可変することができ、永久磁石２１Ａと永久磁石２１Ｂで決まる有効磁束量をトルクの方向に応じて任意の量に制御することができる。
【００２８】
次に、本実施例の永久磁石形同期回転電機２の動作について説明する。界磁用として永久磁石を回転子に備えた回転電機では、電動機として動作する場合と発電機として動作する場合の回転子の回転方向が同じであれば、回転子が受けるトルクの方向は、電動機として動作する場合と発電機として動作する場合とで反対になる。また、回転子の回転方向が反対になれば、トルク方向も反対になる。本実施例では基本的に上記原理を用いたものであり、エンジン１の始動時など回転電機の低回転領域では電動機として、回転電機の高回転領域では発電機としてそれぞれ次のように動作させる。
【００２９】
エンジン１の始動時など回転電機の低回転領域では、図２に示すように、第１の回転子２０Ａと第２の回転子２０Ｂを、回転子２０に発生するトルク方向と永久磁石２１Ａ，２１Ｂ間の磁気作用力との釣合いによって接近させて一つの回転子とし、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの同極性のもの同士を軸方向に並ばせ、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの磁極の中心を揃える。すなわちナット６２を締め、ボルトの頭部６１とナット６２を接近させる。これにより、永久磁石による有効磁束量が最大になる。この結果、高トルク特性を得ることができる。
【００３０】
回転電機の高回転領域では、前述の電動機の場合と同様に回転方向は同じになるが、回転子が受けるトルク方向は前述の電動機とは反対になる。このため、図３に示すように、回転子２０に発生すると共に電動機として動作させたときとは反対のトルク方向によって第２の回転子２０Ｂを、シャフト２２上を回転させながら軸方向一方側（第１の回転子２０Ａ側とは反対側）に移動させて第１の回転子２０Ａから離し、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの磁極の中心をずらす。すなわちナット６２を弛め、ボルトの頭部６１からナット６２を離す。これにより、永久磁石による有効磁束量が減少する。換言すると弱め界磁効果がある。この結果、高出力発電特性を得ることができる。
【００３１】
次に、回転領域に応じて回転電機を上述のように動作させることについて、図５に基づいて説明する。図５（ａ）（ｂ）は、永久磁石形同期回転電機２の回転角速度ωに対する有効磁束Φ，誘導起電力Ｅの特性を示す。永久磁石形同期回転電機２の誘導起電力Ｅは、回転子２０に配置されている永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する有効磁束Φと回転角速度ωによって決定される。このため、例えば図５（ａ）に示すように、回転子２０に配置されている永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する有効磁束Φ１を一定として回転角速度ω（回転数）を上昇させると、誘導起電力Ｅ１は回転角速度ωに比例して上昇する。
【００３２】
ところが、永久磁石形同期回転電機２の回転領域の全域において同一の有効磁束で電動機或いは発電機として動作させた場合、例えばエンジン１の高回転領域において有効磁束Φ１で発電機として動作させた場合、永久磁石形同期回転電機２の誘導起電力Ｅ１はバッテリ５の充電電圧以上に上昇する。これにより、その電力を蓄電するバッテリ５は破損するので、永久磁石形同期回転電機２の誘導起電力をバッテリ５の充電電圧以下に抑える必要がある。このため、永久磁石形同期回転電機２を発電機として用いる場合、ある回転数以上の領域では、永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する磁束を減らす制御、いわゆる弱め界磁制御を行う必要がある。
【００３３】
そこで、本実施例では、図５（ａ）に示すように、回転角速度ω１を境にしてその低回転領域側では、永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する有効磁束をΦ１として誘導起電力Ｅ１を発生させる。回転角速度ω１の高回転領域側では、永久磁石２１Ａ，２１Ｂが発生する有効磁束をΦ２に切替え、誘導起電力Ｅ１よりも低い誘導起電力Ｅ２を発生させる。これにより、永久磁石形同期回転電機２の誘導起電力の最大値を制限することができるので、エンジン１の高回転領域で永久磁石形同期回転電機２を発電機として用いても、バッテリ１の充電電圧以下の電圧でバッテリ１を充電することができる。従って、本実施例では、バッテリ１の破損を防止することができる。
【００３４】
尚、従来の回転電機は、固定子巻線に弱め界磁制御用電流を流して弱め界磁制御を行っていた。しかし、弱め界磁制御用電流は、回転角速度に比例して上昇する誘導起電力に応じて上昇させる必要があるので、固定子巻線に発生する熱が上昇する。このため、従来の回転電機では、高回転領域において、回転電機の効率の低下、冷却性能を超えた発熱による永久磁石の減磁など起こりうる可能性がある。この点、本実施例の永久磁石形同期回転電機２では、機械的な制御、すなわち回転子二分割による有効磁束の制御により弱め界磁制御を行っているので、上記問題は起こりえない。また、本実施例によれば、機械的な弱め界磁制御によって高回転領域における誘導起電力を抑え、永久磁石形同期回転電機２の効率を低下させることがないので、高回転領域において永久磁石形同期回転電機２を効率のよい状態でアシスト用として用いることができる。
【００３５】
また、本実施例では、図５（ｂ）に示すように、有効磁束Φを回転角速度ωに応じてより細かく変化させることにより、すなわちアクチュエータ２５によってストッパー２４を第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に徐々に移動させ、第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａから徐々に離することにより、回転角速度ω１の高回転領域側において永久磁石形同期回転電機２の発生する誘導起電力Ｅをほぼ一定に保つことができる。
【００３６】
図６は永久磁石形同期回転電機２の電源系統図を示す。エンジン１と機械的に連結された永久磁石形同期回転電機２の３相交流端子は電力変換器４（インバータ及びコンバータ）と電気的に接続されている。電力変換器４の直流側端子はバッテリ５（高電圧用）及び高電圧系統と電気的に接続されている。高電圧系統にはＤＣ−ＤＣコンバータ３０を介してヘッドランプ，オーディオなどを負荷機器とする低電圧系統及びバッテリ９（低電圧用）が電気的に接続されている。これにより、低電圧系統及びバッテリ９には、高電圧系統からＤＣ−ＤＣコンバータ３０によって降圧された電力が供給される。
【００３７】
車両には、永久磁石形同期回転電機２の駆動を制御する制御装置３１と、エンジン１のスロットル開度，燃料噴射量などを制御するエンジン制御装置３２が設けられている。制御装置３１とエンジン制御装置３２との間は、通信線或いは通信網（例えば車内ＬＡＮ(Local Area Network)）若しくは無線などの通信手段によって情報伝送或いはダイレクトメモリアクセスなどができるように構成されている。このように制御装置３１とエンジン制御装置３２との間で情報通信を行うことにより、永久磁石形同期回転電機２とエンジン１を協調制御することができる。
【００３８】
図７は制御装置３１の構成を示す。制御装置３１は、永久磁石同期回転電機２の運転モード切替え、すなわち駆動モード（電動機）と発電モード（発電機）のを切替えと、永久磁石同期回転電機２の駆動を制御すべく指令値の生成とを車両の運転状態に応じて行う。永久磁石同期回転電機２の駆動制御は、制御装置３１から出力された指令値に基づいて電力変換器４（インバータ１０４）を制御することにより行われる。永久磁石同期回転電機２の運転モードの切替えは、車両の運転状態に応じてストッパー２４を駆動するアクチュエータ２５を制御することにより行われる。
【００３９】
制御装置３１には、エンジン制御装置３２及び車載機器に取付けられた各種センサからの情報として、例えばバッテリ残量，車両の運転モード，スロットル開度などの状態信号が入力される。また、制御装置３１には、永久磁石同期回転電機２の回転数と磁極位置及び永久磁石同期回転電機２に供給される三相交流電流のうちの二相分がフィードバックされる。
【００４０】
運転判断部１０１には、エンジン制御装置３２及び車載機器に取付けられた各種センサから出力された信号と、速度変換部１０８から出力された角速度ωが入力される。運転判断部１０１はそれらの信号に基づいて永久磁石形同期回転電機２の運転動作を判断し、回転座標系（ｄ−ｑ軸）の電流指令値ｉd *，ｉq *を出力する。ここで、回転座標系とは、回転電機の磁極位置（磁束）の方向をｄ軸、ｄ軸に電気的に直交する方向をｑ軸として構成した座標を意味する。従って、ｉd *はｄ軸電流指令値であり、ｉq *はｑ軸電流指令値である。尚、速度変換部１０８は、検出器１０６によって検出された永久磁石形同期回転電機２の回転数に基づいて角速度値ωを出力する。また、永久磁石形同期回転電機２の回転数の代わりとして、エンジン回転数，変速機がある場合にはエンジン回転数の逓倍した値などを用いてもよい。
【００４１】
電流制御部１０２には、速度変換部１０８から出力された角速度ωと、運転判断部１０１から出力された電流指令値ｉd *，ｉq *と、座標変換部１０５から出力された電流値ｉd，ｉqが入力される。電流制御部１０２は、角速度ω及び電流指令値ｉd *，ｉq *と電流値ｉd，ｉqとの差分に基づいて電圧指令値ｖd *，ｖq *を出力する。尚、座標変換部１０５は、インバータ１０４から出力された三相交流電流のうちｕ相電流ｉu *，ｗ相電流ｉw *と、磁極位置変換部１０７から出力された磁極位置に基づいて電流値ｉd，ｉqを出力する。また、磁極位置変換部１０７は、検出器１０６によって検出された永久磁石形同期回転電機２の磁極位置に基づいて磁極位置を出力する。
【００４２】
三相変換部１０３には、磁極位置変換部１０７から出力された磁極位置，電流制御部１０２から出力された電圧指令値ｖd *，ｖq *が入力される。三相変換部
１０３はそれらの信号に基づいてｕ相電圧指令値ｖu ，ｖ相電圧指令値ｖv ，ｗ相電圧指令値ｖw を出力する。ｕ相電圧指令値ｖu ，ｖ相電圧指令値ｖv ，ｗ相電圧指令値ｖw はインバータ１０４に入力され、インバータ１０４から永久磁石形同期回転電機２に供給される電流を制御する。これにより、永久磁石形同期回転電機２は駆動制御される。
【００４３】
（実施例２）
本発明の第２実施例を図８乃至図１０に基づいて説明する。図８乃至図１０は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第１実施例の改良例である。第１実施例と同様に、軸方向に連続すると共に冷却水を流す冷却水流路１２が周方向に複数形成されハウジング１３の内周側には、電機子巻線１１をストットに装着してなる固定子鉄心１０が締結されている。ハウジング１３の両端部には、枠部材である環状のエンドブラケット４９が設けられている。エンドブラケット４９の内周側には、シャフト２２を回転可能に支持する軸受装置５０が設けられている。
【００４４】
固定子鉄心１０の内周側に回転可能に配置された回転子２０は、第１実施例と同様に、軸方向に二分割されて構成されており、シャフト２２に固定された第１の回転子２０Ａと、シャフト２２に対して分離可能に構成されていると共に、所定の方向のトルクを受けてシャフト２２上を回転しながら軸方向に移動可能な第２の回転子２０Ｂとを備えている。第１の回転子２０Ａには、磁石の極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石２１Ａが複数埋め込まれている。第２の回転子２０Ｂには、磁石の極性が回転方向に順次異なるように、永久磁石２１Ｂが複数埋め込まれている。尚、第２の回転子２０Ｂの内径はシャフト２２の外径よりも大きく形成されている。
【００４５】
第２の回転子２０Ｂの内周面には、軸方向に連続した凹凸が周方向に複数形成されている。第２の回転子２０Ｂの内周側には、その内周面の形状（凹凸）に合致する形状、すなわち軸方向に連続した凹凸が外周面の周方向に複数形成されたスリーブ４１が嵌め込まれている。スリーブ４１の内周側には、内周面に雌ねじが形成されたナット部材２３Ｂが固着されている。ナット部材２３Ｂは、シャフト２２の外周面に形成されたねじ部２３Ａ（雄ねじ）と螺合する、すなわちボルト・ナットの関係にある。スリーブ４１の内周側かつナット部材２３Ｂの両側には環状の支持部材４０Ａ，４０Ｂが所定の間隔をもって固着されている。支持部材４０Ａ，４０Ｂ第２の回転子２０Ｂの回転運動と軸方向の往復運動を案内するものである。支持部材４０Ａと第１の回転子２０Ａとの間には、弾性体であるばね４８が設けられている。ばね４８は第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側とは反対側に押す力を発生する。
【００４６】
ここで、第２の回転子２０Ｂの内周側にスリーブ４１を設けるのは、シャフト２２やナット部材２３Ｂなどに生じる電食などを防止するためである。すなわち第２の回転子２０Ｂの内周側とシャフト２２との間にわずかな遊びがあると、回転と共に第２の回転子２０Ｂの内周側とシャフト２２との間に鎖交磁束変化が生じ、電食などの障害が生じる。このため、本実施例では、第２の回転子２０Ｂの内周側にスリーブ４１を設け、第２の回転子２０Ｂの内周側とシャフト２２との間を磁気的に遮蔽している。従って、スリーブ１１は、鉄より電気抵抗率が高い非磁性体によって形成されている。また、スリーブ１１には電気的な絶縁効果もある。
【００４７】
第２の回転子２０Ｂの側方（第１の回転子２０Ａ側とは反対側）には軸方向に移動可能なストッパー２４が設けられている。ストッパー２４の側方（第２の回転子２０Ｂ側とは反対側）には、ストッパー２４を駆動するサーボ機構である電磁クラッチ４４が設けられている。
【００４８】
ストッパー２４は、電磁クラッチ４４を構成する環状の可動鉄心２４ａと、可動鉄心２４ａの内周側とシャフト２２の外周側との間に設けられた支持部材４７と、可動鉄心２４ａの側面（第２の回転子２０Ｂ側）と第２の回転子２０Ｂの側面（可動鉄心２４ａ側）との間に設けらた支持部材４２から構成されている。支持部材４７は、回転するシャフト２２上に可動鉄心２４ａを支持することができるラジアル軸受であると共に、可動鉄心２４ａを軸方向に移動させることができるものである。支持部材４２は、回転する第２の回転子２０Ｂの側面に可動鉄心２４ａを支持することができるスラスト軸受であり、第２の回転子２０Ｂと可動鉄心２４ａを機械的に接続するものでもある。
【００４９】
電磁クラッチ４４は、ストッパー２４の部材を兼用する可動鉄心２４ａと、第２の回転子２０Ｂ側エンドブラケット４９の側面に設けられた環状のヨーク４４と、ヨーク４４の環状の溝に装着されたコイル４６と、第２の回転子２０Ｂ側エンドブラケット４９の側面と可動鉄心２４ａとの間かつヨーク４４の内方に設けられたばね４５から構成されている。ヨーク４４とコイル４６は電磁力発生部であり、コイル４６に電流が流れてコイル４６が励磁されると、吸引する電磁力を発生する。この吸引する電磁力により、可動鉄心２４ａは第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に移動することができる。弾性体であるばね４５は、可動鉄心２４ａを第２の回転子２０Ｂ側に押す力を発生させるものである。これにより、可動鉄心２４ａは第２の回転子２０Ｂ側に移動することができる。この時、コイル４６の励磁は遮断されている。尚、本実施例では、電磁クラッチ４４をエンドブラケット４９に取付けた場合について説明したが、永久磁石形同期回転電機が搭載される例えば車両の車体の一部にそれを取付け、エンドブラケット４９を省略しても構わない。
【００５０】
以上のように構成された本実施例の永久磁石形同期回転電機においても第１実施例と同様に、回転電機の低回転領域では電動機として、回転電機の高回転領域では発電機として動作させる。
【００５１】
回転電機の低回転領域では、第１の回転子２０Ａと第２の回転子２０Ｂを、回転子２０に発生するトルク方向と永久磁石２１Ａ，２１Ｂ間の磁気作用力との釣合いによって接近させて一つの回転子とし、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの同極性のもの同士を軸方向に並ばせ、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの磁極の中心を揃える。これにより、永久磁石による有効磁束量が最大になる。この結果、高トルク特性を得ることができる。図８はこの状態を示す。
【００５２】
この時、コイル４６は無励磁状態であるので、可動鉄心２４ａは第２の回転子２０Ｂによって引かれると共に、ばね４５の作用によって第２の回転子２０Ｂ側に押され、第２の回転子２０Ｂと共に移動するので、第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の位置を保持することができる。また、ばね４８の作用によって第２の回転子２０Ｂを可動鉄心２４ａ側に一定の力で押さえているので、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側へ移動する勢いを抑えることができ、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａへの衝突などによる機器の破損などを防止することができる。また、ばね４８の作用によって第２の回転子２０Ｂを可動鉄心２４ａ側に一定の力で押さえているので、支持部材４２のスラスト軸受としての機能を向上させることができる。尚、コイル４６の励磁を制御することにより、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側への移動する勢いを抑えてもよい。また、コイル４６の励磁を制御して第２の回転子２０Ｂの軸方向の移動する力を釣り合わせることにより、回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向位置を任意に変えることができる。
【００５３】
回転電機の高回転領域では、前述の電動機の場合と同様に回転方向は同じになるが、回転子が受けるトルク方向は前述の電動機とは反対になる。このため、回転子２０に発生すると共に電動機として動作させたときとは反対のトルク方向によって第２の回転子２０Ｂを、シャフト２２上を回転させながら軸方向を第１の回転子２０Ａ側とは反対側に移動させて第１の回転子２０Ａから離し、永久磁石２１Ａ，２１Ｂの磁極の中心をずらす。これにより、永久磁石による有効磁束量が減少する。換言すると弱め界磁効果がある。この結果、高出力発電特性を得ることができる。
【００５４】
この時、コイル４６は励磁状態であるので、可動鉄心２４ａは、電磁力発生部で発生された電磁力によって第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に吸引されると共に、第２の回転子２０Ｂによって押され、第２の回転子２０Ｂと共に移動するので、第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の位置を保持することができる。また、ばね４５の作用及びコイル４６の励磁の制御によって第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側に一定の力で押さえているので、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側とは反対側への移動する勢いを抑えることができ、第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側とは反対側への移動しすぎによるナット部材２３Ｂのねじ及びシャフト２２のねじ部２３Ａの破損などを防ぐことができる。また、ばね４８の作用によって第２の回転子２０Ｂを可動鉄心２４ａ側に一定の力で押さえているので、支持部材４２のスラスト軸受としての機能を向上させることができる。尚、コイル４６の励磁を制御して第２の回転子２０Ｂの軸方向の移動する力を釣り合わせることにより、回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向位置を任意に変えることができる。
【００５５】
尚、本実施例では、ストッパー２４を駆動するものとして電磁クラッチ４４を用いたが、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどの組合わせによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることにより、ストッパー２４の軸方向の位置をより細かく制御することができる。
【００５６】
（実施例３）
本発明の第３実施例を図１１に基づいて説明する。図１１は本実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を示す。本実施例は、前述した第２実施例の改良例である。以下、前例と異なる部分のみ説明する。
【００５７】
本実施例では、第１の回転子２０Ａの側面（第２の回転子２０Ｂ側の側面）の内周部に、シャフト２２の外径よりも大きな内径を有する凹部５３が設けられている。第１の回転子２０Ａの凹部５３と対向する第２の回転子２０Ｂの側面には、凹部５３の内径よりも小さいと共に、シャフト２２の外径よりも大きくかつ第２の回転子２０Ｂの内径と同じ大きさの内径を有する突起部５４（凸部）が設けられている。このような構成は、第２の回転子２０Ｂの軸方向の厚さが薄い場合に有効なものである。
【００５８】
第２の回転子２０Ｂの内周側及び突起部５４の内周側にはスリーブ４１が嵌め込まれている。スリーブ４１は前例と同様のものである。尚、スリーブ４１は突起部５４と一体ものであってもよいし、第２の回転子２０Ｂと一体ものであってもよい。スリーブ４１の内周側には、前例と同様に、ナット部材２３Ｂ及び支持部材４０Ａ，４０Ｂが固着されている。
【００５９】
第１の回転子２０Ａと支持部材４０Ａとの間には、弾性体であるばね４８が設けられている。ばね４８は、第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側とは反対側に押す力を発生するものである。支持部材４０Ｂとストッパー２４との間には、弾性体であるばね５１が設けられている。ばね５１は、第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側に押す力を発生するものである。本実施例によれば、ばね４８，５１の作用によって第２の回転子２０Ｂの移動する勢いを抑えることができると共に、第２の回転子２０Ｂの軸方向の移動を補助することができ、かつ第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の位置を保持することができる。
【００６０】
（実施例４）
本発明の第４実施例を図１２に基づいて説明する。図１２は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第２実施例の変形例であり、電磁クラッチ４４とストッパー２４からなる回転子位置可変手段の構成が前述した第２実施例と異なる。尚、本図ではコイル４６が励磁されている状態を示す。
【００６１】
本実施例では、ストッパー２４の部材を兼用する可動鉄心２４ａの断面形状がＬ字状になっている。可動鉄心２４ａの第２の回転子２０Ｂ側には、電磁クラッチ４４のヨーク４４ａが配置されている。ヨーク４４ａは、その外周側に取付けられたアーム５２を介してエンドブラケット４９に支持されている。スラスト軸受を構成する支持部材４２と可動鉄心２４ａとの間にはばね４５が設けられている。ばね４５は、可動鉄心２４ａを第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に押す力を発生するものである。尚、本実施例では、電磁クラッチ４４をエンドブラケット４９に取付けた場合について説明したが、永久磁石形同期回転電機が搭載される例えば車両の車体の一部にそれを取付け、エンドブラケット４９を省略しても構わない。
【００６２】
本実施例によれば、永久磁石形同期回転電機を回転電機の低回転領域で電動機として動作させる場合には、コイル４６を励磁して吸引力を発生させ、この吸引力及び第２の回転子２０Ｂからの引張力により、可動鉄心２４ａを第２の回転子２０Ｂ側に移動させる。永久磁石形同期回転電機を回転電機の高回転領域で発電機として動作させる場合には、コイル４６の励磁を切り、ばね４５の作用及び第２の回転子２０Ｂからの押す力により、可動鉄心２４ａを第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に移動させる。すなわち本実施例の回転子位置可変手段は、第２実施例のものと作用が反対であるものの、達成できる効果は第２実施例の効果と同様である。
【００６３】
尚、本実施例では、ストッパー２４を駆動するものとして電磁クラッチ４４を用いたが、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどの組合わせによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることにより、ストッパー２４の軸方向の位置をより細かく制御することができる。
【００６４】
（実施例５）
本発明の第５実施例を図１３に基づいて説明する。図１３は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第３実施例の変形例であり、第１の回転子２０Ａに設けた凹部，第２の回転子２０Ｂに設けた突起部がない場合の例である。本実施例においても、ばね４８，５１の作用によって第２の回転子２０Ｂの移動する勢いを抑えることができると共に、第２の回転子２０Ｂの軸方向の移動を補助することができ、かつ第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の位置を保持することができる。
【００６５】
（実施例６）
本発明の第６実施例を図１４に基づいて説明する。図１４は本実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を示す。本実施例は、前述した第１実施例の変形例であり、第２の回転子２０Ｂに形成されたねじ部２３Ｂとシャフト２２に形成されたねじ部２３Ａからなる機構の代わりに、回転角θ分可変できる機構を第２の回転子２０Ｂに設けたものである。
【００６６】
このため、第２の回転子２０Ｂの内周側の対向する２箇所には、軸方向に連続した凸部が形成されている。シャフト２２の外周側の第２の回転子２０Ｂの凸部と対向する部分には、軸方向に連続する凹部が形成されている。シャフト２２の凹部の周方向幅は第２の回転子２０Ｂの凸部の周方向幅よりも大きく形成されている。これにより、第１の回転子２０Ａに対して第２の回転子２０Ｂを所定の回転角θ分回転させることができると共に、シャフト２２上を軸方向に移動させることができる。第２の回転子２０Ｂの凸部の周方向両側とシャフト２２の凹部との間にはスプリング２６とダンパー２７が設けられている。このスプリング２６とダンパー２７を設けることにより、第２の回転子２０Ｂの凸部とシャフト２２の凹部の急な衝突を和らげることができる。
【００６７】
（実施例７）
本発明の第７実施例を図１５に基づいて説明する。図１５は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第５実施例の変形例であり、固定子鉄心１０と第１の回転子２０Ａとの間の空隙寸法Ｇａｐ１と、固定子鉄心１０と第２の回転子２０Ｂとの間の空隙寸法Ｇａｐ２を異ならせたものである。
【００６８】
第１の回転子２０Ａはシャフト２２に固定されているのに対して、第２の回転子２０Ｂはシャフト２２に対して分離可能に構成されている。従って、第２の回転子２０Ｂとシャフト２２との間にはわずかな機械的な寸法の遊びがあり、第２の回転子２０Ｂに大きなトルクや遠心力などが加わると、第２の回転子２０Ｂが偏心する可能性があり得る。このため、本実施例では、Ｇａｐ２をＧａｐ１よりも大きく設定し、第２の回転子２０Ｂと固定子鉄心１０との接触による機械的な破損を防止している。
【００６９】
（実施例８）
本発明の第８実施例を図１６に基づいて説明する。図１６は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例は、前述した第５実施例の変形例であり、第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の変位Ｌ１，Ｌ２を変位測定器６４で検出し、この検出された変位Ｌ１，Ｌ２を、永久磁石形同期回転電機の駆動を制御する制御装置にフィードバックするものである。すなわち第２の回転子２０Ｂが第１の回転子２０Ａに対して回転角θでずれる場合、そのずれに基づいて永久磁石形同期回転電機に供給される電流の進角を補正する必要がある。また、第２の回転子２０Ｂの回転角θと軸方向の変位量ΔＬは比例関係にある。
【００７０】
そこで、本実施例では、第１の回転子２０Ａに対する第２の回転子２０Ｂの軸方向の変位Ｌ１，Ｌ２を制御装置にフィードバックして変位差ΔＬを求め、この求められた変位差ΔＬに基づいて電力変換器から永久磁石形同期回転電機に供給される電流の進角を補正している。本実施例によれば、この電流の進角を補正により、永久磁石形同期回転電機を最適に制御することができる。
【００７１】
（実施例９）
本発明の第９実施例を図１７に基づいて説明する。図１７は本実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す。本実施例はこれまでの実施例とは異なり、第１の回転子２０Ａに対して第２の回転子２０Ｂを相対的に軸方向のみ移動させるように構成したものである。
【００７２】
このため、第２の回転子２０Ｂの内周側の対向する２箇所には、軸方向に連続する凸部６３Ｂが形成されている。シャフト２２の外周側の第２の回転子２０Ｂの凸部６３Ｂと対向する部分には、軸方向に連続すると共に第２の回転子２０Ｂの凸部が嵌る凹状の溝６３Ａが形成されている。これにより、シャフト２２の溝６３Ａが第２の回転子２０Ｂの凸部６３Ｂの案内となり、第２の回転子２０Ｂはシャフト２２上を軸方向に移動する。第１の回転子２０Ａと第２の回転子２０Ｂとの間には、弾性体であるばね４８が設けられている。ばね４８は、第２の回転子２０Ｂを第１の回転子２０Ａ側とは反対側に押す力を発生させる。第２の回転子２０Ｂの第１の回転子２０Ａ側とは反対側には、ストッパー２４と、サーボ機構でありストッパー２４の駆動機構であるアクチュエータ２５からなる回転子位置可変手段が設けられている。
【００７３】
このように構成された本実施例では、永久磁石形同期回転電機の回転数（角速度）に応じてアクチュエータ２５を駆動し、ストッパー２４の軸方向の位置を変えることにより、第２の回転子２０Ｂを軸方向に移動させ、永久磁石形同期回転電機を電動機或いは発電機として動作させることができる。すなわち回転電機の低回転領域では、ストッパー２４を第２の回転子２０Ｂ側に移動させることにより、第２の回転子２０Ｂをばね４８の力に逆らわせて第１の回転子２０Ａ側に移動させることができる。これにより、第１の回転子２０Ａと第２の回転子２０Ｂを近接させることができ、永久磁石形同期回転電機を電動機として動作させることができる。また、回転電機の高回転領域では、ストッパー２４を第２の回転子２０Ｂ側とは反対側に移動させることにより、第２の回転子２０Ｂをばね４８の力によって第１の回転子２０Ａ側とは反対側に移動させることができる。これにより、第１の回転子２０Ａから第２の回転子２０Ｂを離すことができ、永久磁石形同期回転電機を発電機として動作させることができる。
【００７４】
以上の説明においては、永久磁石形同期回転電機を４極機とした場合を例にとり説明したが、以上の実施例の構成は４極機に限定されるものではなく、２極機或いは６極機若しくは図１８に示すような８極機、さらにはそれ以上の極数機にも適用することができる。回転子への永久磁石の取付け方としては、図１８に示すように、回転子の内部に永久磁石を取付けたいわゆる埋め込み磁石型、或いは回転子の表面に永久磁石を取付けたいわゆる表面磁石型のどちらを用いても構わない。
【００７５】
（実施例１０）
本発明の第１０実施例を図１９に基づいて説明する。図１９は本実施例の自動車の駆動装置の配置構成を示す。本実施例の駆動装置は、エンジン１のクランクプーリ６と、永久磁石形同期回転電機２のシャフトに結合されたプーリ８が金属ベルト７で連結されたものである。従って、エンジン１永久磁石形同期回転電機２は並列に配置されている。尚、クランププーリ６とプーリ８とを連結するものとしてチェーン或いは歯付ベルトを用いてもよい。また、クランクプーリ６とプーリ８の代わりにギアを介して連結しても構わない。永久磁石形同期回転電機２としては、前述した第１実施例乃至第９実施例のいずれかの永久磁石形同期回転電機を用いている。尚、図中符号３は、エンジン１に直結されたトランスミッション、符号５は、電力変換器４を介して永久磁石形同期回転電機２と電気的に接続されたバッテリである。電力変換器４はインバータとコンバータの両方の機能を備えたものである。また、本実施例の自動車の駆動装置においては、永久磁石形同期回転電機２を電動機単体或いは発電機単体若しくはモータジェネレータのどの形で用いてもよい。
【００７６】
本実施例によれば、クランクプーリ６，金属ベルト７，プーリ８によって、エンジン１と永久磁石形同期回転電機２の間にある速比をもった変速機構を構成することができる。例えばクランクプーリ６とプーリ８の半径比を２：１にすることにより、永久磁石形同期回転電機２をエンジン１の２倍の速度で回転させることができ、エンジン１の始動時、永久磁石形同期回転電機２のトルクをエンジン１の始動に必要なトルクの１／２にすることができる。従って、永久磁石形同期回転電機２を小型化することができる。
【００７７】
（実施例１１）
本発明の第１１実施例を図２０に基づいて説明する。図２０は本実施例の自動車の駆動装置の配置構成を示す。本実施例は、前述した第１０実施例の変形例であり、エンジン１に連結された永久磁石形同期回転電機２Ａの他に、前述した第１実施例乃至第９実施例のいずれかの永久磁石形同期回転電機を、図２０（ａ）（ｂ）に示すように、エンジン１によって駆動される車輪（前輪）とは異なる車輪（後輪）の駆動用として搭載したものである。すなわち４輪駆動車に適用した例を示す。
【００７８】
図２０（ａ）では、エンジン１によって駆動される車輪（前輪）とは異なる車輪（後輪）の駆動軸と永久磁石形同期回転電機２Ｂとをギアを介して連結している。尚、永久磁石形同期回転電機２Ｂとデファレンシャルギアと組合わせてエンジン１や永久磁石形同期回転電機２Ａと連携して駆動してもよい。図２０（ｂ）では、エンジン１によって駆動される車輪（前輪）とは異なる車輪（後輪）のそれぞれに永久磁石形同期回転電機２Ｃを連結、すなわちホイールインモータタイプとして連結している。
【００７９】
（実施例１２）
本発明の第１２実施例を図２１に基づき説明する。図２１は本実施例の電気自動車の駆動装置の配置構成を示す。電気自動車は、内燃機関であるエンジンを搭載していない車両であり、電力変換器４を介して供給されたバッテリ５の電力によって永久磁石形同期回転電機２を駆動し、車両を駆動させるようにしたものである。図２１（ａ）はトランスミッション３を介して永久磁石形同期回転電機２と後輪の駆動軸とを連結したものである。図２１（ｂ）は永久磁石形同期回転電機２と前輪の駆動軸とを直結したものである。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得ることができる回転電機及びそれを搭載した車両を提供することができる。また、低回転領域において高トルク特性，高回転領域において高出力発電特性を得ることができると共に、機械的な信頼性を向上させることができる回転電機及びそれを搭載した車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図２】図１の永久磁石形同期回転電機の回転子の動作を説明するための図であり、回転子の磁極中心が揃った状態を示す。
【図３】図１の永久磁石形同期回転電機の回転子の動作を説明するための図であり、回転子の磁極中心がずれた状態を示す。
【図４】第１実施例のハイブリット車の駆動装置の配置構成を示す平面図であり、エンジンと永久磁石形同期回転電機が直結されたタイプのものを示す。
【図５】図１の永久磁石形同期回転電機の回転角速度ωに対する誘導起電力Ｅと磁束Φの関係を示す特性図。
【図６】図１の永久磁石形同期回転電機の電源系統の構成を示す系統図。
【図７】図１の永久磁石形同期回転電機の制御装置の構成を示すブロック図。
【図８】第２実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図であり、電磁クラッチのコイルが励磁されていない状態を示す。
【図９】第２実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図であり、電磁クラッチのコイルが励磁された状態を示す。
【図１０】第２実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を詳細に示す詳細図。
【図１１】第３実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を詳細に示す詳細図。
【図１２】第４実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１３】第５実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１４】第６実施例の永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を詳細に示す詳細図。
【図１５】第７実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１６】第８実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１７】第９実施例の永久磁石形同期回転電機の構成を示す断面図。
【図１８】永久磁石形同期回転電機の回転子の構成を説明するための図。
【図１９】第１０実施例の自動車の駆動装置の配置構成を示す平面図。
【図２０】第１１実施例の４輪駆動車の駆動装置の配置構成を示す平面図。
【図２１】第１２実施例の電気自動車の駆動装置の配置構成を示す平面図。
【符号の説明】
１…エンジン、２…永久磁石形同期回転電機、３…トランスミッション、４…電力変換器、５…バッテリ、１０…固定子鉄心、１１…電機子巻線、１２…冷却水流路、１３…ハウジング、２０…回転子、２０Ａ…第１の回転子、２０Ｂ…第２の回転子、２１Ａ，２１Ｂ…永久磁石、２２…シャフト、２３Ａ，２３Ｂ…ねじ部、２４…ストッパー、２５…アクチュエータ。
Claims (38)
- 巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されていることを特徴とする回転電機。
- 巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記界磁用磁石のそれぞれの磁極中心を、前記二分割された回転子の他方の同じ極性の前記界磁用磁石の磁極中心に対して変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されていることを特徴とする回転電機。
- 巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を、前記二分割された回転子の一方に配置された界磁用磁石の磁極中心と前記二分割された回転子の他方に配置された界磁用磁石の磁極中心をずらしながら変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されていることを特徴とする回転電機。
- 巻線を有する固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配設されると共に、軸方向に二分割され、かつそれぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子とを有し、前記二分割された回転子の一方は、前記二分割された回転子の一方の前記界磁用磁石と前記二分割された回転子の他方の前記界磁用磁石との間の磁気作用力と、前記回転子に発生するトルク方向との釣合いに応じて、前記二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を、前記二分割された回転子の一方に配置された界磁用磁石の磁極中心と前記二分割された回転子の他方に配置された界磁用磁石の磁極中心を揃えた状態で変化させる可変機構を備えると共に、その軸方向両側から支持機構によって支持されていることを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記二分割された回転子の他方は回転軸に固定され、前記二分割された回転子の一方は回転軸から分離できるように構成されていると共に、前記二分割された回転子の一方の内周側及び回転軸にはねじ部が設けられてお互い接続されていることを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記二分割された回転子の他方は回転軸に固定され、前記二分割された回転子の一方は回転軸から分離できるように構成されていると共に、前記二分割された回転子の一方の内周側には非磁性部材を介して、内周側にねじ部を有する環状部材が、回転軸にはねじ部が設けられてお互い接続されていることを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記二分割された回転子の他方は回転軸に固定され、前記二分割された回転子の一方は回転軸から分離できるように構成されていると共に、前記二分割された回転子の一方の側面には筒状の突起部が、前記二分割された回転子の他方の側面には、前記突起部を収納できるへこみ部が設けられており、前記突起部の内周側を含む前記二分割された回転子の一方の内周側には非磁性部材を介して、内周側にねじ部を有する環状部材が、回転軸にはねじ部が設けられてお互い接続されていることを特徴とする回転電機。
- 請求項６又は７に記載の回転電機において、前記非磁性部材は、鉄より電気抵抗率が高い管状部材であることを特徴とする回転電機。
- 請求項６又は７に記載の回転電機において、前記環状部材はナットであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記支持機構は、前記二分割された回転子間に設けられた弾性体と、前記二分割された回転子の一方の側方に設けられた弾性体とを有してなるものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記支持機構は、前記二分割された回転子間に設けられた弾性体と、前記二分割された回転子の一方の側方に設けられると共に、回転軸に沿って軸方向に移動可能な支持部材と、該支持部材を回転軸に沿って軸方向に移動させる駆動機構とを有してなるものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１１に記載の回転電機において、前記駆動機構はサーボ機構であることを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記支持機構は、前記二分割された回転子の一方の軸方向の移動力を緩和するものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記二分割された回転子の一方と前記固定子との間の空隙寸法と、前記二分割された回転子の他方と前記固定子との間の空隙寸法を異ならせたことを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記二分割された回転子の一方と前記固定子との間の空隙寸法を、前記二分割された回転子の他方と前記固定子との間の空隙寸法よりも大きくしたことを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記二分割された回転子の一方に配置された界磁用磁石と、前記二分割された回転子の他方に配置された界磁用磁石との合成磁極位置のずれに応じて、前記巻線に供給される電流の進角を補正することを特徴とする回転電機。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機において、前記二分割された回転子の一方の前記二分割された回転子の他方に対する軸方向の変位量を検出し、この変位量に基づいて前記巻線に供給される電流の進角を補正することを特徴とする回転電機。
- 巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石、及び該第１の界磁用磁石に対して相対回転が可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石を有すると共に、前記第１及び第２の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向する回転子と、前記第１の界磁用磁石のそれぞれの磁極中心に対し て、前記第２の界磁用磁石の同じ極性のものの磁極中心を回転子のトルク方向に伴い変化させる機構とを有し、前記トルク方向に伴い変化させる機構は、回転子に発生するトルク方向と前記第１及び第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１及び第２の界磁用磁石の同じ極性のもの同士の磁極中心を揃える手段と、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い前記第１及び第２の界磁用磁石の同じ極性のもの同士の磁極中心をずらす手段とを有し、前記第２の界磁用磁石はその軸方向両側から支持機構によって支持されていることを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記トルク方向の変化に伴い磁極中心を変化させる機構は、前記第１の界磁用磁石を回転軸に固定し、前記第２の界磁用磁石を回転軸から分離できるように構成すると共に、回転軸及び前記第２の界磁用磁石の内周側にねじ部を設けてお互いを接続したものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記トルク方向の変化に伴い磁極中心を変化させる機構は、前記第１の界磁用磁石を回転軸に固定し、前記第２の界磁用磁石を回転軸から分離できるように構成すると共に、前記第２の界磁用磁石の内周側及び回転軸にねじ部を設けてお互いを接続したものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記トルク方向の変化に伴い磁極中心を変化させる機構は、前記第１の界磁用磁石を回転軸に固定し、前記第２の界磁用磁石を回転軸から分離できるように構成すると共に、前記第２の界磁用磁石の内周側に非磁性部材を介して設けた環状部材の内周側及び回転軸にねじ部を設けてお互いを接続したものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記トルク方向の変化に伴い磁極中心を変化させる機構は、前記第１の界磁用磁石を回転軸に固定し、前記第２の界磁用磁石を回転軸から分離できるように構成すると共に、前記第２の界磁用磁石の側面に筒状の突起部を、前記第１の界磁用磁石の側面には、前記突起部を収納できるへこみ部を設け、かつ前記突起部の内周側を含む前記第２の界磁用磁石の内周側に非磁性部材を介して設けた環状部の内周側及び回転軸にねじ部を設けてお互いを接続したものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項２１又は２２に記載の回転電機において、前記非磁性部材は、鉄より電気抵抗率が高い管状部材であることを特徴とする回転電機。
- 請求項２１又は２２に記載の回転電機において、前記環状部材はナットであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記支持機構は、前記第１及び第２の界磁用磁石間に設けられた弾性体と、前記第２の界磁用磁石の側方に設けられた弾性体とを有してなるものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記支持機構は、前記第１及び第２の界磁用磁石間に設けられた弾性体と、前記第２の界磁用磁石の側方に設けられると共に、回転軸に沿って軸方向に移動可能な支持部材と、該支持部材を回転軸に沿って軸方向に移動させる駆動機構とを有してなるものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項２６に記載の回転電機において、前記駆動機構はサーボ機構であることを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記支持機構は、前記第２の界磁用磁石の軸方向の移動力を緩和するものであることを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記第１の界磁用磁石を有する回転子と前記固定子との間の空隙寸法と、前記第２の界磁用磁石を有する回転子の他方と前記固定子との間の空隙寸法を異ならせたことを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記第２の界磁用磁石を有する回転子の他方と前記固定子との間の空隙寸法を、前記第１の界磁用磁石を有する回転子と前記固定子との間の空隙寸法よりも大きくしたことを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記第１及び第２の界磁用磁石との合成磁極位置のずれに応じて、前記巻線に供給される電流の進角を補正することを特徴とする回転電機。
- 請求項１８に記載の回転電機において、前記第２の界磁用磁石の前記第１の界磁用磁石に対する軸方向の変位量を検出し、この変位量に基づいて前記巻線に供給される電流の進角を補正することを特徴とする回転電機。
- 車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記バッテリから供給される電力によって駆動されて前記内燃機関を駆動し、かつ前記内燃機関からの動力によって駆動されて発電して前記バッテリに電力を供給する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は請求項１乃至３２のいずれかに記載の回転電機であることを特徴とする車両。
- 請求項３３に記載の車両において、前記内燃機関の低速回転時は電動機として動作させ、前記内燃機関の高速回転時は発電機として動作させることを特徴とする車両。
- 電力の充放電を行うバッテリと、該バッテリから供給される電力によって車輪を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は請求項１乃至３２のいずれかに記載の回転電機であることを特徴とする車両。
- 前輪或いは後輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記バッテリから供給される電力によって駆動されると共に前輪或いは後輪を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は請求項１乃至３２のいずれかに記載の回転電機であることを特徴とする車両。
- 車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記バッテリから供給される電力によって駆動されて前記内燃機関を駆動する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は請求項１乃至３２のいずれかに記載の回転電機であることを特徴とする車両。
- 車輪を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されると共に、前記内燃機関からの動力によって駆動されて発電して前記バッテリに電力を供給する回転電機と、該回転電機を制御する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は請求項１乃至３２のいずれかに記載の回転電機であることを特徴とする車両。
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