JP2004072978A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】低回転域では高トルクを得ることができ、かつ高回転域まで回転し得る電動機を提供する。
【解決手段】電動機２０では、回転子２３は、内回転子２４と当該内回転子２４に対し回転軸同心かつ回転径方向外側に位置する外回転子２６とを有する２重構造とし、内回転子２４には内永久磁石２５ａ、２５ｂを、また外回転子２６には外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２を、それぞれ保持する。そして、内回転子支持部３１、外回転子支持部３２、ベアリング３４、３５、作動油３９、油圧回路、制御装置等からなる回転子位相制御機構は、外回転子２６の、内回転子２４に対する回転方向の位相を変更可能な構成をとる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動機として、例えば、コイルを円筒型の固定子と、この固定子円筒の内側に永久磁石を埋め込まれた回転子と、からなる構造を採る永久磁石モータ（以下「ＰＭモータ」と称する。）と呼ばれるタイプのモータがある。この種のＰＭモータは、固定子に複数配置されたコイルに順次電流を流すことで、コイルに発生した回転磁界と回転子の永久磁石による磁界との相互作用により、回転子を回転させる。このようなＰＭモータでは、電流を流すコイルを順次切り替えていく速度に応じて回転数を制御している。
【０００３】
ところで、このようなＰＭモータにおいては、永久磁石を備えた回転子の回転により回転子の回転数に応じた誘導起電圧が固定子のコイルに生じ、それが固定子コイルに外部から印加される電圧を打ち消す方向に発生する。そのため、モータの最大回転数は、かかる誘導起電圧が外部からコイルに印加する電圧以下となるような回転数に制限される。
【０００４】
一方、永久磁石を備えた回転子の回転に伴う誘導起電圧の大きさを小さくするように、発生する磁力の小さい永久磁石を回転子に埋め込むことにより、モータの最大回転数を上げることができるが、この場合には、モータにより発生可能な最大トルクが小さくなってしまう。即ち、ＰＭモータにおいては、得られる最大トルクと最大回転数とが互いにトレードオフの関係にあるといえる。
【０００５】
そこで、ＰＭモータにおいて、高回転化（例えば６０００ｒｐｍ　以上）を実現させるため、固定子のコイルに、回転子の永久磁石による磁力を打ち消す電流を流して誘導起電圧を下げる「弱め界磁制御」と呼ばれているモータ制御方法が提案されている。
【０００６】
また、回転子に永久磁石を有することなく、固定子の磁極と相対する回転子の表面に鉄の突起（突極）を設け、固定子のコイルが発生する磁力によってこの回転子突極が引き付けられる力（以下「リラクタンストルク」と称する）により回転子を回転させる、リラクタンスモータと呼ばれるタイプのモータがある。
【０００７】
このリラクタンスモータは、回転子が発生する誘導起電圧が小さいので、ＰＭモータと比較して高回転が可能であるという利点を備えるが、低回転時（例えば３０００ｒｐｍ　以下）に発生できるトルクは、コイルの磁界と永久磁石の磁界との相互作用を利用するＰＭモータには遥かに及ばないという欠点を持つ。
【０００８】
また、近年、回転子が発生する磁力を可変可能な構成を持つことにより、高トルク、高回転を実現するモータとして、例えば特開平１０−１５５２６２公報に開示される「磁石式ブラシレス電動機」が提案されている。この電動機では、永久磁石を表面に配置した回転子を軸方向に２分割し、低回転時は同位相（２分割した回転子部分の永久磁石の磁極が軸方向にそろっている状態）とし、高回転時は位相をずらすことにより、局部的な短絡が多く生じ、固定子に到達する鎖交磁束を減少させることができ、この鎖交磁束による誘導起電圧を低減できることから、高回転を実現できるとしている。
【０００９】
さらに、同様の先行技術として、特開２００１−２５１８２４公報に開示される「永久磁石回転機の励磁方法」が提案されている。この励磁方法では、回転子を軸方向に２分割し、一方に永久磁石を、他方に電磁石を配置し、回転に応じて電磁石へ流す電流を制御することにより、ギャップ磁束（回転子と固定子の間の隙間を通過する磁束で鎖交磁束とも呼ばれる）を制御でき、高回転を実現できるとしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の電動機等によると、ＰＭモータにおける「弱め界磁制御」においては、界磁コイルを利用して弱め界磁を発生しているためトルクに関与しない弱め界磁を発生させるための電流をコイルに印加する必要があり、ＰＭモータ全体の電力効力の悪化を招いているという問題がある。
【００１１】
また、前述の公報に開示される電動機等においては、回転子が発生する磁力を制御し、鎖交磁束（ギャップ磁束）を増減させるものでは、鎖交磁束を低減することで、ある程度までは高回転を実現することできるが、永久磁石が回転子の表面に配置されている。そのため、効果的に鎖交磁束を低減することができないという問題がある。
【００１２】
さらに、前述の公報に開示される電動機等においては、回転子を軸方向に分割し、分割された各々の部分が固定子と対向し、各々固定子と対向している回転子部分同士の相互作用で回転子全体の磁力を制御する構造であることから、分割された各々の部分が発生する磁束の一部が必ず鎖交磁束となって固定子に到達する。そのため、回転子により生ずる誘導起電圧を効果的に低減することはできないという問題がある。
【００１３】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、低回転域では高トルクを得ることができ、かつ高回転域まで回転し得る電動機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段および発明の作用・効果】
上記目的を達成するため、請求項１の電動機では、コイルを有する固定子と、第１の永久磁石を保持する内回転子、および該内回転子に対し回転軸同心かつ回転径方向外側に位置し第２の永久磁石を保持する外回転子、を有し、前記内回転子および前記外回転子が一体となって回転する回転子と、前記外回転子の、前記内回転子に対する回転方向の位相を変更する回転子位相制御機構と、を備えることを技術的特徴とする。ここに、「前記外回転子の、前記内回転子に対する回転方向の位相」とは、内回転子に対して、回転子回転軸を中心として外回転子が相対的にずれる角度をいう。この位相を変更することで、内回転子が保持する第１の永久磁石と、外回転子が保持する第２の永久磁石の回転方向の相対位置を変更することができる。
【００１５】
また、請求項２の電動機では、請求項１において、前記外回転子には、少なくとも２つ以上からなる１組の前記第２の永久磁石によって回転子磁極が構成され、所定数の前記回転子磁極が、当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置され、各回転子磁極を構成する前記１組の第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石の回転子周方向の幅と略同等の間隔をもって前記外回転子に配置されることを技術的特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項３の電動機では、請求項２において、前記内回転子が保持する第１の永久磁石は、当該内回転子の回転方向に順次異なった磁極の極性を有するように配置され、前記回転子位相制御機構は、前記回転子の回転数に応じて、前記第１の永久磁石を、前記１組の第２の永久磁石の間に、回転子磁極と回転径方向に同じ極性となる同極性位置から、逆の極性となる逆極性位置まで、変更可能であることを技術的特徴とする。
【００１７】
請求項１の発明では、回転子は、内回転子と当該内回転子に対し回転軸同心かつ回転径方向外側に位置する外回転子とを有する２重構造とし、内回転子には第１の永久磁石を、また外回転子には第２の永久磁石を、それぞれ保持する。そして、回転子位相制御機構は、外回転子の、内回転子に対する回転方向の位相、つまり外回転子と内回転子との相対位置を変更可能な構成をとる。これにより、回転子全体が発生する磁力は、内回転子が保持する第１の永久磁石および外回転子が保持する第２の永久磁石がそれぞれ発生する磁力の合成によるが、内回転子と外回転子との相対位置（位相）を回転子位相制御機構により変えることで、内回転子の第１の永久磁石による磁力と外回転子の第２の永久磁石による磁力との合力を可変とすることができる。
【００１８】
また、請求項２の発明では、外回転子には、少なくとも２つ以上からなる１組の第２の永久磁石によって回転子磁極が構成され、所定数の回転子磁極が、当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置される。そして、この１組の第２の永久磁石は、第１の永久磁石の回転子周方向の幅と略同等の間隔をもって外回転子に配置される。即ち、各回転子磁極では、２つ以上の永久磁石が、その間に所定の間隔を有して配置される構造となる。この第２の永久磁石の間隔を有しての配置により、回転子の内側に配置される第１の永久磁石の磁力を有効に固定子へ到達させることができ、また、第２の永久磁石とともに回転子内で閉じた磁束を形成させることができる。
【００１９】
さらに、請求項３の発明では、内回転子が保持する第１の永久磁石は、当該内回転子の回転方向に順次異なった磁極の極性を有するように配置され、回転子位相制御機構は、回転子の回転数に応じて、第１の永久磁石を、１組の第２の永久磁石の間に、回転子磁極と回転径方向に同じ極性となる同極性位置から、逆の極性となる逆極性位置まで、変更可能とすることができる。即ち、上記同極性位置では、第１の永久磁石と、１組の第２の永久磁石が磁力を強め合い、固定子に作用する磁力を増大することができる。また上記逆極性位置では、第１の永久磁石と１組の第２の永久磁石との磁力が互いに引き合い、双方の永久磁石が発生させる磁力線が固定子内で閉じるように形成され、その結果、回転子が固定子へ及ぼす磁力を弱めることができる。そして回転子位相制御機構は、同極性位置から逆極性位置まで、第１の永久磁石および第２の永久磁石の相対位置を変更することができるので、結果回転子が固定子へ及ぼす磁力を可変とすることが可能となる。
【００２０】
例えば、低回転時では、内回転子の第１の永久磁石および外回転子の第２の永久磁石が互いに磁力を強め合うところに位置するように回転子位相制御機構により内回転子と外回転子との相対位置（位相）を制御する。一方、高回転時では、内回転子の第１の永久磁石および外回転子の第２の永久磁石が互いに磁力を打ち消し合うところに位置するように回転子位相制御機構により内回転子と外回転子との相対位置を制御する。これにより、低回転時においては、回転子全体が発生する磁力としては、第１、第２の永久磁石による磁力が互いに強め合った合力と固定子のコイルが発生する磁力との相互作用で、高トルクを得ることができる。一方、高回転させるときには、第１、第２の永久磁石による磁力が互いに打ち消し合い、回転子全体に発生する磁束の大半を回転子の内部に閉じこめることで、回転子から固定子へ向かう磁束を大幅に削減することができるので、回転子全体が発生する磁力としては、低回転時よりも遥かに弱めることができる。したがって、回転子全体の高回転に伴う誘導起電圧の発生を抑制することができるので、高回転域まで回転させることができる。
【００２１】
また、上記目的を達成するため、請求項４の電動機では、コイルを有する固定子と、永久磁石および電磁石を有する回転子と、からなる電動機であって、前記回転子には、少なくとも２つ以上からなる１組の前記永久磁石によって回転子磁極が構成され、所定数の前記回転子磁極が、当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置され、前記電磁石は、前記回転子磁極ごとに、前記１組の永久磁石の間で、かつ前期永久磁石よりも前記回転子の回転径方向内側に配置されていることを技術的特徴とする。
【００２２】
請求項４の発明では、回転子は永久磁石および電磁石を有し、少なくとも２つ以上からなる１組の永久磁石は、回転子磁極を構成し、所定数の回転子磁極が当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置されている。また電磁石は、回転子磁極ごとに、１組の永久磁石の間で、かつ永久磁石よりも回転子の回転径方向内側に配置されている。つまり、永久磁石と電磁石とを１組として回転子の磁極を構成していることから、当該電磁石へ流す電流を制御することで、低回転時には、磁極を構成する永久磁石と電磁石とが発生する磁力が互いに強め合うように電磁石へ電流を流し、高回転時には、磁極を構成する永久磁石と電磁石とが発生する磁力が互いに弱め合うように電磁石へ電流を流すように励磁電流を制御する。これにより、低回転時においては、回転子全体が発生する磁力としては、永久磁石および電磁石による磁力が互いに強め合った合力と固定子のコイルが発生する磁力との相互作用で、高トルクを得ることができる。一方、高回転させるときには、永久磁石および電磁石による磁力が互いに打ち消し合い、回転子全体に発生する磁束の大半を回転子の内部に閉じこめることで、回転子から固定子へ向かう磁束を大幅に削減することができる。そして、励磁電流量を連続的に可変することにより、低回転から高回転に到るまで、きめ細かな弱め界磁を制御することができるので、回転子全体が発生する磁力としては、低回転時よりも遥かに弱め、さらに弱め界磁を連続的に自在に制御することができる。したがって、回転子全体の高回転に伴う誘導起電圧の発生を抑制することができるので、高回転域まで回転させることができる。
【００２３】
なお、請求項４の発明では、このように回転子が有している電磁石を用いて弱め界磁を発生させることができるため、従来のＰＭモータにおける「弱め界磁制御」にように、回転子を回転させるためのコイルを利用して弱め界磁を発生させるものに比べて、効率良く弱め界磁を発生させることができる。そのため、当該電磁石を構成する界磁用巻線の巻き数の設定により弱め界磁に要する消費電力を十分に抑えることができるので、無駄な電力諸費を抑制し電動機全体の電力効率を向上することができる。
【００２４】
さらに、上記目的を達成するため、請求項５の電動機では、コイルを有する固定子と、永久磁石を保持する外回転子、および該外回転子に対して回転軸同心かつ回転径方向内側に位置し該外回転子の永久磁石に対して短絡磁路を形成し得る強磁性体を回転方向に非連続に有する内回転子、を有し、前記外回転子および前記内回転子が一体となって回転する回転子と、前記外回転子の、前記内回転子に対する回転方向の位相を変更する回転子位相制御機構と、を備えることを技術的特徴とする。
【００２５】
また、請求項６の電動機では、請求項５において、前記内回転子は強磁性体からなり、当該内回転子の外周には、回転径方向外側に突出する突極部と回転外周上内側に窪む空孔部とを交互に有し、前記外回転子には、少なくとも２つ以上からなる１組の前記永久磁石によって回転子磁極が構成され、所定数の前記回転子磁極が、当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置され、前記１組の永久磁石は、前記内回転子が有する突極部の回転方向幅と略同等の間隔をもって前記外回転子に配置されることを技術的特徴とする。
【００２６】
請求項５および請求項６の発明では、回転子は、外回転子と当該外回転子に対し回転軸同心かつ回転径方向外側に位置する内回転子とを有する２重構造とし、外回転子には永久磁石を、また内回転子には外回転子の永久磁石に対して短絡磁路を形成し得る強磁性体を回転方向に非連続に有する。そして、回転子位相制御機構は、外回転子の、内回転子に対する回転方向の位相、つまり外回転子と内回転子との相対位置を変更可能な構成をとる。つまり、強磁性体が位置しないところは非磁性（磁束を通さない）になるので、内回転子を回転させることで、外回転子の永久磁石と内回転子の強磁性体との相対位置を変え、もって永久磁石の磁束の経路を変化させることができる。これにより、低回転時においては磁束が固定子へより達するように、また高回転時においては回転子内に磁束が通るように内外回転子の相対回転を制御することによって、低回転時には高トルクを得ることができ、高回転時には回転子全体が発生する磁力としては、低回転時よりも遥かに弱めることができる。したがって、回転子全体の高回転に伴う誘導起電圧の発生を抑制することができるので、高回転域まで回転させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電動機の実施形態について図を参照して説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の電動機の第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、図１には、本第１実施形態に係る電動機の固定子および回転子の構成を示す径方向断面図、図２には、電動機の構成を示す軸方向断面図、がそれぞれ図示されている。
【００２８】
図１および図２に示すように、本第１実施形態に係る電動機２０は、主に、界磁用のコイル２２を有する固定子２１、永久磁石を有する回転子２３およびこれらを収容するハウジング３０等から構成されている。
【００２９】
固定子２１は、円環状に形成された強磁性体からなる積層鋼板を回転軸Ｊの方向に積み重ねた円筒形状に構成されており、その内周には回転界磁を発生させるコイル２２を巻回するため、複数のスロット２１ａが回転軸Ｊ方向に形成されている。また図２に示すように、この固定子２１は、ハウジング３０の内周壁３０ａのほぼ全周に亘って固定されている。なお、スロット２１ａとスロット２１ａとの間に位置する固定子２１の内周部分は、固定子磁極を構成し、回転子２３に対して回転磁界を発生し得るように構成されている。
【００３０】
図１および図２に示すように、固定子１０に対して回転する回転子２３は、内回転子２４と、内回転子２４に対し回転軸Ｊに同心かつ回転軸Ｊの径方向外側に位置する外回転子２６と、回転軸Ｊを形成する回転子シャフト２９と、からなり、内回転子２４および外回転子２６は、ともに固定子２１と同様に、円環状に形成された強磁性体からなる積層鋼板を回転軸Ｊの方向に積み重ねた円筒形状に構成されており、所定数の永久磁石を保持している。
【００３１】
即ち、図１に示すように、円筒形状の内回転子２４は、その外周側内部に、磁極の極性が交互になるように永久磁石（以下「内永久磁石」という。）２５ａ、２５ｂが配置され埋設されている。つまり、内永久磁石２５ａ、２５ｂは、内回転子２４の回転方向に順次異なった磁極の極性を有するように配置されている。本第１実施形態では、回転軸Ｊの径方向外側にＮ極、径方向内側にＳ極が位置する内永久磁石２５ａと、回転軸Ｊの径方向外側にＳ極、径方向内側にＮ極が位置する内永久磁石２５ｂと、が回転軸Ｊの周方向に交互かつ等間隔に４個づつの合計８個、内回転子２４に埋め込まれている。
【００３２】
また、円筒形状の外回転子２６は、その内部に、回転軸Ｊの径方向外側に向かって、２つの永久磁石が１組で「ハの字形状」に配置されて１つの回転子磁極を構成するように埋設（保持）されている（以下、外回転子に埋設されている永久磁石を「外永久磁石」と称する）。１つの回転子磁極を構成する１組の外永久磁石は同じ極性を互いに向かい合わせて配置されている。即ち「ハの字形状に配置」とは回転子磁極を構成する１組の外永久磁石を、回転子半径方向を対称軸として同じ磁極面を対向させ、かつ、対向させた１組の外永久磁石間の間隔を回転子半径方向内側から外側に向かって漸増するように配置することを意味する。そしてそのような回転子磁極が、外回転子２６の周方向に極性を交互にして等間隔に所定数配置されている。図１では外永久磁石２７ａ２と２７ｂ１の１組で１つの磁極を構成し、この磁極はＮ極を外回転子２６の周外側に向けて配置されている。そして外永久磁石２７ａ２と２７ｂ１とで構成される磁極の隣には、外永久磁石２７ａ１と２７ｂ２とが１組でＳ極を周方向外側に向けて他の磁極を構成するよう配置されている。そして図１では合計８極の磁極が構成されている。
【００３３】
また、回転子磁極を構成する１組の外永久磁石２７ａ２と２７ｂ１は、内永久磁石２５ａの周方向幅とほぼ同じ長さの間隔を隔てて配置されている。他の回転子磁極を構成する外永久磁石２７ｂ１と２７ａ２も同様である。このように回転子磁極を構成する１組の外永久磁石を所定間隔をもって配置することにより、内外の永久磁石が強め合うように位置する場合は、内永久磁石が発生する磁界を外永久磁石に遮られることなく、固定子へ到達できるように磁路を確保することがでる。また内外の永久磁石が弱め合うように位置する場合は、この１組の外永久磁石の間の領域が、内永久磁石から外永久磁石へと達する磁路の役目を果たすようになる。即ち、この領域により内外永久磁石間で通じる磁束を回転子内で閉じさせることが可能となる。
【００３４】
このように構成される内回転子２４と外回転子２６とは、回転子シャフト２９を同一の軸（同軸）として配置され、両者が一体となって回転子２３全体を構成している。即ち、内回転子２４は、内回転子支持部３１に支持されており、この内回転子支持部３１は、ベアリング３４を介して回転子シャフト２９に回動自在に取り付けられている。これにより、内回転子２４は、回転子シャフト２９に対して回動自在に軸支されている。なお、回転子シャフト２９は、軽量化を考慮して中空のパイプ状に構成されているが、必ずしも中空である必要はなく、円柱部材であっても良い。
【００３５】
一方、外回転子２６は、外回転子支持部３２に支持されており、この外回転子支持部３２は、回転子シャフト２９に直接固定されている。なお、この回転子シャフト２９はベアリング３５を介してハウジング３０に回動自在に取り付けられているため、外回転子２６はハウジング３０に対して回動自在に軸支されていることになる。これにより、固定子２１のコイル２２により発生する回転磁界によって外回転子２６が回転する回転力を、回転子シャフト２９から回転トルクとして取り出すことができる。
【００３６】
また、外回転子２６の、内回転子２４に対する回転方向の位相を変更できるようにするため、内回転子２４と外回転子２６とは、図２に示すように、回転子位相制御機構によって相対的に回転が可能なように構成されている。つまり、当該回転子位相制御機構は、回転子２３の回転数に基づいて、外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２による磁極の極性と内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂによる磁極の極性とが、回転径方向に同じ極性となる同極性位置から逆の極性となる逆極性位置まで、変更する可能なように構成されている。例えば、回転子位相制御機構は、エンジンのバルブタイミング調整装置に用いられている、いわゆる揺動モータと同等の構成を採用したもので、特開２０００−４８１５号公報に開示された構成を採る。
【００３７】
本第１実施形態では、図３（Ａ）　、（Ｂ）　に示すように、内回転子支持部３１は、回転軸Ｊ方向の断面形状が凹溝３１ａに形成され、さらに当該凹溝３１ａを径方向に仕切るベーン部３１ｂが形成されている。そして、外回転子支持部３２には、内回転子支持部３１の凹溝３１ａ内を仕切る壁部３２ａが形成されている。これにより、内回転子支持部３１内の凹溝３１ａは、そのベーン部３１ｂと外回転子支持部３２の壁部３２ａとによって進角油室と遅角油室とに２分割されるため、外部から一方の油室に作動油３９を供給し、他方の油室から作動油を排出することにより、内回転子支持部３１を回転軸Ｊを中心に回動させることができる。
【００３８】
即ち、外部から進角油室に作動油３９ａが供給され、遅角油室から作動油３９ｂが外部に排出されることによって、内回転子支持部３１のベーン部３１ｂが時計回り方向に押されるため、外回転子支持部３２に対して内回転子支持部３１を相対的に時計回り方向に回転させることができる。一方、外部から遅角油室に作動油３９ｂが供給され、進角油室から作動油３９ａが外部に排出されることによって、内回転子支持部３１のベーン部３１ｂが反時計回り方向に押されるため、外回転子支持部３２に対して内回転子支持部３１を相対的に反時計回り方向に回転させることができる。なお、回転子位相制御機構は、本例に限られることなく電動式の揺動モータ等を利用することでも実現することができる。
【００３９】
なお、内回転子２４および外回転子２６が相対的に回転可能であるとは、回転子２３全体が電動機２０として回転している間、常に拘束なしに相対回転できるということではなく、外回転子２６に配置した外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２に対する、内回転子２４に配置した内永久磁石２５ａ、２５ｂの位置が、両回転子の回転軸Ｊを中心に所定角度だけ移動することが可能であるということである。
【００４０】
このように構成される回転子２３の回転子シャフト２９を、ハウジング３０に取り付けられた固定子２１に対して、回転軸Ｊが同心に位置するように、ベアリング３５を介してハウジング３０に取り付けることにより、電動機２０が構成される。なお、図１および図２に示すように、固定子２１と回転子２３との間は、両者が接することなく、所定間隔のエアギャップＧを形成するように、固定子２１の内径および回転子２３の外径が設定されている。なお、回転子２３全体として発生する磁力は内回転子２４および外回転子２６に配置されたすべての永久磁石（内永久磁石２５ａ、２５ｂ、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２）の磁力の合力によって決定される。
【００４１】
ここで、回転子２３を構成する、内回転子２４と外回転子２６との関係を図４および図５に基づいて説明する。なお、図４には、電動機２０の径方向断面図（４分の１）が図示され、また図５には、電動機２０の回転子２３から発生する磁束線の状態を計算機により磁場解析した結果を示す磁束線図が図示されている。
【００４２】
図４（Ａ）　に示すように、外回転子２６の、１つの回転子磁極を構成する１組の外永久磁石２７ａ２、２７ｂ１および内回転子２４の内永久磁石２５ａが、同一極（例えばＮ極）をお互いに向け合うような位置関係に、内回転子２４と外回転子２６とが位置する場合には、これらの永久磁石の磁力が互いに強め合う。その結果、図５（Ａ）　に示すように、外永久磁石２７ａ２、２７ｂ１および内永久磁石２５ａのＮ極から出た磁束が、回転径方向外側に向かい固定子２１を通って回転子２３に戻り、外回転子２６の隣接する外永久磁石２７ａ１、２７ｂ２のＳ極に通じていることがわかる。
【００４３】
一方、図４（Ｂ）　に示すように、内回転子２４が４５度回転すると、外回転子２６の外永久磁石２７ａ２と外永久磁石２７ｂ１との間に、内回転子２４の内永久磁石２５ｂが位置することから、このような位置関係に内回転子２４と外回転子２６とが位置する場合には、これらの永久磁石の磁力が互いに弱め合う。その結果、図５（Ｂ）　に示すように、外永久磁石２７ａ２のＮ極から出た磁束が、回転径方向内側に向かい、内永久磁石２５ｂのＳ極、Ｎ極を通って、隣接する内永久磁石２５ａのＳ極、Ｎ極、さらには外永久磁石２７ａ２に隣接する外永久磁石２７ａ１のＳ極、Ｎ極を通り、外永久磁石２７ａ２のＳ極に戻ってくる閉磁路を回転子２３の内部で形成する。また外永久磁石２７ｂ１のＮ極から出た磁束が、回転径方向内側に向かい、内永久磁石２５ｂのＳ極、Ｎ極を通って、隣接する内永久磁石２５ａのＳ極、Ｎ極、さらには外永久磁石２７ｂ１に隣接する外永久磁石２７ｂ２のＳ極、Ｎ極を通り、外永久磁石２７ｂ１のＳ極に戻ってくる閉磁路を回転子２３の内部で形成する。つまり、回転子２３全体としての磁束は、固定子２１へは達せず、従ってこの場合は回転子２３としては固定子２１に磁力を及ぼさない。
【００４４】
即ち、図４（Ｂ）　、図５（Ｂ）　に示すように、回転子２３の内回転子２４が位置する場合には、回転子２３の永久磁石（内永久磁石２５ａ、２５ｂ、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２）による回転子２３全体に発生する磁束の大半を回転子２３の内部に閉じ込めることができ、固定子２１のコイル２２に対する鎖交磁束の発生を大幅に削減することができる。これにより、回転子２３が回転しても、固定子２１に配置されたコイル２２に誘導起電圧が発生することを抑制できるので、電動機２０の回転子２３が高回転で回転しても固定子２１側には誘導起電圧が発生し難い。したがって、電動機２０を高回転域まで回転させることができる。
【００４５】
ところで、図５（Ｂ）　に示すように、回転子２３内の永久磁石（内永久磁石２５ａ、２５ｂ、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２）が発生する磁束が完全に回転子２３内に閉じ込められる場合には、この電動機２０はリラクタンスモータと等価となるといえる。回転子２３内の永久磁石（内永久磁石２５ａ、２５ｂ、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２）または回転子２３内に設けた空孔により、回転子２３の回転方向に透磁率が変化する構造となるため、リラクタンストルクが発生し得るからである。
【００４６】
また、各永久磁石の強さ、もしくは相対的な配置により、外回転子２６に配置した外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２と内回転子２４に配置した内永久磁石２５ａ、２５ｂの磁力の合力による磁束が、完全には回転子２３内に閉じ込められない場合でも、固定子２１へ通ずる磁束は図５（Ａ）　に示す磁束線図の状態より遥かに少なくすることができる。
【００４７】
次に、電動機２０の回転数と出力トルクとの関係を図６に基づいて説明する。図６（Ａ）　は、内回転子２４と外回転子２６を相対回転させない場合において、内回転子２４と外回転子２６との相対角度を固定したまま、回転数を増減させた場合の出力トルクの特性を示すものである。図６（Ａ）　に示す符号αによる破線は、前掲した図４（Ａ）　の状態、即ち、外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２による磁力と、内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂによる磁力とが互いに強め合う場合の内回転子２４および外回転子２６の位置関係における出力トルクの特性である。この場合、回転子２３全体が発生する磁力が強いので、低回転域においては高いトルクを発生することができるが、回転数の増加に伴い、固定子２１のコイル２２に発生する誘導起電圧が急激に増大するため、高回転域に到達することができないことが同図の特性αからわかる。
【００４８】
これに対し、図６（Ａ）　に示す符号γによる破線は、前掲した図４（Ｂ）　の状態、即ち、外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２による磁力と、内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂによる磁力とが互いに弱め合う場合の内回転子２４および外回転子２６の位置関係における出力トルクの特性である。この場合、回転子２３全体は、ほとんど磁力を発生しないので、高回転域に到達することができるが、逆に低回転域で高トルクを発生することができない。また、図６（Ａ）　に示す符号βによる破線は、前掲した図４（Ａ）　の状態と図４（Ｂ）　の状態との中間状態を仮定した場合における出力トルクの特性である。
【００４９】
このように本第１実施形態に係る電動機２０では、回転子２３の回転数に応じて、内回転子２４と外回転子２６とを相対回転させることで、図６（Ａ）　に示す符号α、β、γによるそれぞれの特性を全てを実現することができる。したがって、図略の回転数センサ等により検出した回転子２３の回転数に基づいて、内回転子２４に配した内永久磁石２５ａ、２５ｂと外回転子２６に配した外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２とが、磁力を強め合う位置から磁力を弱め合う位置まで、両者の相対回転角を制御することで、図６（Ｂ）　の太線で示したような特性を実現することが可能となる。
【００５０】
即ち、図６（Ｂ）　に示すように、回転子２３の回転数が０以上Ｋ１（例えば３０００ｒｐｍ　）以下においては、図４（Ａ）　に示す位置に内回転子２４の相対位置を設定する制御を前述の回転子位相制御機構に対して行い、回転子２３の回転数がＫ２（例えば６０００ｒｐｍ　）を超えた場合においては、図４（Ｂ）　に示す位置に内回転子２４の相対位置を設定する制御を回転子位相制御機構に対して行う。そして、回転子２３の回転数がＫ１を超えてＫ２以下の場合においては、図４（Ａ）　に示す位置と図４（Ｂ）　に示す位置との間に内回転子２４の相対位置を設定する制御を回転子位相制御機構に対して行う。なお、当該制御は、前述した進角油室および遅角油室に作動油３９を供給可能あるいは進角油室および遅角油室から作動油３９を排出可能な、油圧回路等に接続されたマイクロコンピュータをコアに構成された制御装置により行われる。
【００５１】
なお、本第１実施形態では、８組の永久磁石を、内回転子２４および外回転子２６に等間隔に配置したため、上述したように磁束を強め合う状態から弱めあう状態にするためには、内回転子２４と外回転子２６とを４５度相対回転させれば良かった。しかし、このような磁力を弱め合わせるために必要な内回転子２４の相対回転角度は、永久磁石の幾何学的配置により決定されるため、例えば、配置された永久磁石の組数が「６」である場合（即ち、回転子磁極が「６」の場合）には６０度、当該組数が「４」である場合は９０度になる。
【００５２】
以上説明したように、本第１実施形態によると、電動機２０は、「コイル２２を有する固定子２１」と、「内永久磁石２５ａ、２５ｂを保持する内回転子２４および該内回転子２４に対し回転軸同心かつ回転径方向外側に位置し外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２を保持する外回転子２６、を有する回転子２３」と、「回転方向に対し、外回転子２６と内回転子２４との相対位置を変更する回転子位相制御機構」と、を備える。
【００５３】
つまり、電動機２０では、回転子２３は、内回転子２４と当該内回転子２４に対し回転軸同心かつ回転径方向外側に位置する外回転子２６とを有する２重構造とし、内回転子２４には内永久磁石２５ａ、２５ｂを、また外回転子２６には外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２を、それぞれ保持する。そして、内回転子支持部３１、外回転子支持部３２、ベアリング３４、３５、作動油３９、油圧回路、制御装置等からなる回転子位相制御機構は、回転方向に対し、外回転子２６と内回転子２４との相対位置を変更可能な構成をとる。これにより、回転子２３全体が発生する磁力は、内回転子２４が保持する内永久磁石２５ａ、２５ｂおよび外回転子２６が保持する外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２がそれぞれ発生する磁力の合成により、内回転子２４と外回転子２６との相対位置（位相）を回転子位相制御機構により変えることで、内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂによる磁力と外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２による磁力との合力を可変することができる。
【００５４】
また、電動機２０は、内回転子２４が保持する内永久磁石２５ａ、２５ｂは、内回転子２４の回転方向に順次異なった磁極の極性を有するように配置され、外回転子２６が保持する外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２は、２つ１組（２７ａ２と２７ｂ１、および２７ａ１と２７ｂ２）で回転子磁極を構成し、各々の回転子磁極は外回転子２６の回転方向に順次異なった極性を有するように配置される。このとき１つの回転子磁極を構成する１組の外永久磁石は同じ磁極面を回転子外側に向け、かつ所定の間隔をもって配置される。そして、回転子位相制御機構は、回転子２３の回転数に基づいて、外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２による磁極の極性と内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂによる磁極の極性とが、回転径方向に同じ極性となる同極性位置から逆の極性となる逆極性位置まで、変更可能な構成をとる。これにより、内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂおよび外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２が互いに磁力を強め合うところに位置するように回転子位相制御機構により内回転子２４と外回転子２６との相対位置を制御することができ、また内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂおよび外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２が互いに磁力を打ち消し合うところに位置するように回転子位相制御機構により内回転子２４と外回転子２６との相対位置を制御することができる。
【００５５】
そして、低回転時（例えば３０００ｒｐｍ　以下）では、内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂおよび外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２が互いに磁力を強め合うところに位置するように回転子位相制御機構により内回転子２４と外回転子２６との相対位置を制御する。一方、高回転時（例えば６０００ｒｐｍ　以上）では、内回転子２４の内永久磁石２５ａ、２５ｂおよび外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２が互いに磁力を打ち消し合うところに位置するように回転子位相制御機構により内回転子２４と外回転子２６との相対位置を制御する。これにより、このような低回転時においては、回転子２３全体が発生する磁力としては、内永久磁石２５ａ、２５ｂ、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２による磁力が互いに強め合った合力と固定子２１のコイル２２が発生する磁力との相互作用で、高トルクを得ることができる。一方、このような高回転させるときには、内永久磁石２５ａ、２５ｂ、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２による磁力が互いに打ち消し合い、回転子２３全体に発生する磁束の大半を回転子２３の内部に閉じこめることで、回転子２３から固定子２１へ向かう磁束を大幅に削減することができるので、回転子２３全体が発生する磁力としては、低回転時よりも遥かに弱めることができる。したがって、回転子２３全体の高回転に伴う誘導起電圧の発生を抑制することができるので、高回転域まで回転させることができる。さらに、高回転時に回転子２３の内永久磁石２５ａ、２５ｂおよび外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２による磁力を相殺するために、固定子２１のコイル２２に電流を印加することなく、高回転を実現することができるので、効率のよい電動機を実現することができる。
【００５６】
［第２実施形態］
次に、本発明の電動機の第２実施形態を図７に基づいて説明する。
本第２実施形態に係る電動機１２０は、その回転子１２３を構成する外回転子１２６の構成が異なるほかは、前述した第１実施形態に係る電動機２０の構成と同様に構成されている。そのため、本第２実施形態の回転子１２３を構成する内回転子２４は、第１実施形態の電動機２０を構成する回転子２３と実質的に同一の構成であるから、電動機２０の内回転子２４と同一の符号を付してその構成の説明を省略し、また他の構成部分についてもそれらの構成の説明を省略する。
【００５７】
図７に示すように、本第２実施形態の電動機１２０は、その回転子１２３の外回転子２６に保持する外永久磁石１２７ａ１、１２７ａ２、１２７ｂ１、１２７ｂ２をその磁極面（磁石において、磁束が主に発生する面）が円筒円周方向を向くように配置している。
【００５８】
即ち、外回転子１２６は、円環状に形成された強磁性体からなる積層鋼板を回転軸Ｊの方向に積み重ねた円筒形状に構成されており、所定数の永久磁石を保持しているところまでは、第１実施形態の外回転子２６と同様であるが、本第２実施形態の当該外回転子１２６は、その内部に埋め込まれている外永久磁石１２７ａ１、１２７ａ２や外永久磁石１２７ｂ１、１２７ｂ２が、回転軸Ｊの径方向外側に向かって「ハ字形状」を形成するように２つ１組で構成されているのではなく、回転軸Ｊの径方向外側に向かって「ＩＩ字形状」を形成するように２つ１組で構成され、その組磁極の極性が交互になるように配置され埋設されている。
【００５９】
このように外回転子１２６の外永久磁石１２７ａ１、１２７ａ２、１２７ｂ１、１２７ｂ２を配置することで、回転子２３全体の磁束を弱める場合、内回転子２４に埋設した内永久磁石２５ａ、２５ｂが発生する磁束を、より回転子２３内に閉じ込めやすくすることができる。したがって、より高回転化に適した電動機１２０を実現することができる。
【００６０】
［第３実施形態］
続いて、本発明の電動機の第３実施形態を図８に基づいて説明する。
本第３実施形態に係る電動機２２０は、その回転子２２３を構成する内回転子２２４および外回転子２２６の構成が異なるほかは、前述した第１実施形態に係る電動機２０の構成と同様に構成されている。そのため、図８に示す回転子２２３以外は、第１実施形態の電動機２０を構成する回転子２３と実質的に同一の構成であるから、それらの構成の説明を省略する。
【００６１】
図８に示すように、本第３実施形態の電動機２２０は、第１実施形態の回転子２３と同様に、内回転子２２４と外回転子２２６とからなる回転子２２３を備えているが、内回転子２２４に保持される内永久磁石２２５ａ、２２５ｂが、合計６個の６極構成である点と、回転子磁極を構成する２個一組の外永久磁石２２７ａ、２２７ｂがそれぞれ隣り合う回転子磁極を構成する外永久磁石と共用されている点とが、第１実施形態の回転子２３と異なる。
【００６２】
このように外回転子２２６に配した外永久磁石２２７ａ、２２７ｂを隣接する磁極で共有して使用することによって、外回転子２２６に埋設する永久磁石の数を半減させることができ、より低コストに電動機２２０を実現することができる。なお、第１実施形態の電動機２０は、前述したように８極モータを構成しているので、電動機２０のような８極モータについて本第２実施形態を適用すると、外回転子の外永久磁石を８個（１６／２＝８）に減らすことができる。
【００６３】
上記第１〜第３の実施形態は、回転子内の永久磁石の配置についてのバリエーションを例示しており、コスト、要求されるモータ特性、加工のしやすさなどを考慮して、磁石のサイズ、数量、形状、極数などを選定することができる。例えば外永久磁石の容積を相対的に大きくすると回転子自体が固定子に対して発生する磁力を大きくすることができるので高トルクが実現できるが、一方、内永久磁石による外永久磁石の固定子に対する磁力を弱める力は相対的に減少するので、誘導起電力をゼロとすることはできず、高回転には不向きとなる。また、回転子磁極を構成する、ハの字状に対向配置された１組の外永久磁石を、回転子内側から外側に向けてよりその間隔が大きくなるように配置すると、外永久磁石が固定子に対して発生する磁力を大きくすることができるので高トルクが実現できる。しかしこのとき、内永久磁石による外永久磁石の固定子に対する磁力を弱める効果は相対的に減少するので高回転には不向きとなる。
【００６４】
［第４実施形態］
さらに続いて、本発明の電動機の第４実施形態を図９および図１０に基づいて説明する。
本第４実施形態に係る電動機３２０は、固定子と回転子については、その内回転子３２４の構成が異なるほかは、前述した第１実施形態に係る電動機２０の固定子２１および外回転子２６の構成と同様に構成されている。そのため、図９に示すように、固定子２１および回転子２３については、回転子３２３以外は、第１実施形態の電動機２０を構成する固定子２１および回転子２３と実質的に同一の構成であるから、それらの構成の説明を省略する。
【００６５】
図９および図１０に示すように、本第４実施形態の電動機３２０は、内回転子３２４が保持する磁石として永久磁石を用いるのではなく、電磁石３２５を使用して構成している点が、第１実施形態の電動機２０と異なる点である。
即ち、回転子３２３の２個１組の外永久磁石２７ａ１と２７ｂ２および２７ａ２と２７ｂ１はそれぞれ回転子磁極を構成し、各々の回転子磁極は回転子３２３の回転方向に順次異なった極性を有するように配置されている。また、回転子３２３の電磁石３２５は１組の外永久磁石により構成される回転子磁極ごとに、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２よりも回転径方向内側に回転子３２３に配置されている。そのため、本第４実施形態においては、説明の便宜上、回転子３２３を内回転子３２４と外回転子２６に分けて構成しているが、本発明（請求項４）は、回転子を２以上に分けて構成するか否かにかかわらず成立する。
【００６６】
図９に示すように、回転子３２３の内回転子３２４は、第１〜第３実施形態の内回転子と同様、円環状に形成された強磁性体からなる積層鋼板を回転軸Ｊの方向に積み重ねた円筒形状に構成されている。そして、内回転子３２４の場合には、外回転子２６の外永久磁石２７ａ１と２７ｂ２の組および２７ａ２と２７ｂ１の組により構成される回転子磁極ごとに、つまり８極分の凸状の鉄心部３２４ａが回転径方向外側に向けて突設されている。この鉄心部３２４ａは、例えば、外永久磁石２７ｂ２と外永久磁石２７ａ１との間、または外永久磁石２７ａ２と外永久磁石２７ｂ１との間に位置するように、さらに鉄心部３２４ａの頂部が外回転子２６の内周壁に接するように設定されている。また、各回転子磁極を構成する外永久磁石の組の２つの永久磁石は鉄心部３２４ａの頂部の回転方向幅と略同等の間隔をもって配置されている。
【００６７】
そして、この鉄心部３２４ａには、界磁用のコイル３２４ｃが巻回されており、当該コイル３２４ｃの両端はスリップリング３４１ａ、３４１ｂにそれぞれ電気的に接続されている（図１０）。これにより、当該コイル３２４ｃに励磁電流を供給すると、鉄心部３２４ａに発生した磁束は殆ど減衰することなく、外回転子２６内を通過することができるので、鉄心部３２４ａとコイル３２４ｃとにより内回転子３２４内に電磁石が構成される。したがって、コイル３２４ｃに供給される励磁電流の極性や電流量を制御することにより、第１実施形態の電動機２０による内永久磁石２５ａ、２５ｂと同様、外回転子２６の外永久磁石２７ａ２、２７ｂ１とともに磁力を互いに強め合ったり、また弱め合ったりすることができる。
【００６８】
なお、鉄心部３２４ａと鉄心部３２４ａとの間には、空孔部３２４ｂが形成されているが、これは、空孔部３２４ｂにより非磁性部を構成することによって、隣り合う電磁石３２５との間で、磁束の干渉を防止するためである。
【００６９】
ここで、電動機３２０の構成を図１０を参照して説明する。なお、図１０に示す電動機３２０はハウジングの記載が省略されている。そのため、実際には、ベアリング３３５を介して図略のハウジングに回転子シャフト３２９が軸支されていることに留意されたい。
【００７０】
図１０に示すように、電動機３２０は、固定子２１、回転子３２３（外回転子２６、内回転子３２４）、回転子シャフト３２９および界磁電流制御装置３５０等から構成されている。このうち、固定子２１および外回転子２６は、第１実施形態の電動機２０のものと、実質的に同一の構成からなることは前述した通りである。回転子３２３を構成する内回転子３２４には、その鉄心部３２４ａにコイル３２４ｃが巻回されており、このコイル３２４ｃの端部は、一端側がスリップリング３４１ａに、また他端側がスリップリング３４１ｂに、それぞれ電気的に接続されている。
【００７１】
このスリップリング３４１ａ、３４１ｂは、回転子シャフト３２９の外周上、全周に亘って設けられた２本の環状凸部として、それぞれ形成されており、界磁電流制御装置３５０に接続されたブラシ３４３ａ、３４３ｂと電気的に接触可能に構成されている。これにより、界磁電流制御装置３５０から供給される励磁電流を、当該ブラシ３４３ａ、３４３ｂとスリップリング３４１ａ、３４１ｂとを介して鉄心部３２４ａのコイル３２４ｃに通電することができる。つまり、コイル３２４ｃに供給される励磁電流の極性や電流量を界磁電流制御装置３５０により制御することによって、前掲の図５（Ａ）　、図５（Ｂ）　で説明したように、電磁石３２５による電磁力と外回転子２６の外永久磁石２７ａ２、２７ｂ１による磁力との合成により、磁力を互いに強め合ったり、また弱め合ったりさせることができる。
【００７２】
本第４実施形態に係る電動機３２０によると、回転子３２３は外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２および電磁石３２５を有し、当該外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２は回転子３２３の回転方向に順次異なった極性を有するように回転子３２３に保持され、所定数の磁極を構成し、当該電磁石３２５は回転子３２３により構成される磁極ごとに、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２よりも回転径方向内側に回転子３２３に保持されている。つまり、外永久磁石２７ａ２、２７ｂ１と電磁石３２５を１組として（および２７ａ１、２７ｂ２と電磁石３２５を１組として）回転子３２３の回転子磁極を構成していることから、当該電磁石３２５へ流す励磁電流を制御することで、低回転時には、回転子磁極を構成する外永久磁石２７ａ２、２７ｂ１と電磁石３２５（および２７ａ１、２７ｂ２と電磁石３２５）とが発生する磁力が互いに強め合うように電磁石３２５へ励磁電流を流し、高回転時には、回転子磁極を構成する外永久磁石２７ａ２、２７ｂ１と電磁石３２５（および２７ａ１、２７ｂ２と電磁石３２５）とが発生する磁力が互いに弱め合うように電磁石３２５へ励磁電流を流すように、界磁電流制御装置３５０を制御する。
【００７３】
これにより、低回転時においては、回転子３２３全体が発生する磁力としては、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２および電磁石３２５による磁力が互いに強め合った合力と固定子２１のコイル２２が発生する磁力との相互作用で、高トルクを得ることができる。一方、高回転させるときには、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２および電磁石３２５による磁力が互いに打ち消し合い、回転子３２３全体に発生する磁束の大半を回転子の内部に閉じこめることで、回転子３２３から固定子２１へ向かう磁束を大幅に削減することができる。そして、界磁電流制御装置３５０によって、電磁石３２５の励磁電流量を連続的に可変することにより、低回転から高回転に到るまで、きめ細かな弱め界磁を制御することができるので、回転子３２３全体が発生する磁力としては、低回転時よりも遥かに弱め、さらに弱め界磁を連続的に自在に制御することができる。したがって、回転子３２３全体の高回転に伴う誘導起電圧の発生を抑制することができるので、高回転域まで回転させることができる。
【００７４】
なお、電動機３２０では、このように弱め界磁専用の電磁石３２５を回転子３２３が有しているので、従来のＰＭモータにおける「弱め界磁制御」にように、回転子を回転させるためのコイルを利用して弱め界磁を発生させるものに比べて、効率良く弱め界磁を発生させることができる。そのため、当該電磁石３２５を構成するコイル３２４ｃの巻き数の設定により弱め界磁に要する消費電力を十分に抑えることができるので、無駄な電力諸費を抑制し電動機全体の電力効率を向上することができる。
【００７５】
［第５実施形態］
最後に、本発明の電動機の第５実施形態を図１１および図１２に基づいて説明する。
本第５実施形態に係る電動機４２０は、その回転子４２３を構成する内回転子４２４の構成が異なるほかは、前述した第１実施形態に係る電動機２０の構成と同様に構成されている。そのため、本第５実施形態の回転子４２３を構成する外回転子２６は、第１実施形態の電動機２０を構成する回転子２３と実質的に同一の構成であるから、電動機２０の外回転子２６と同一の符号を付してその構成の説明を省略し、また他の構成部分についてもそれらの構成の説明を省略する。
【００７６】
図１１に示すように、本第５実施形態の電動機４２０は、その内回転子４２４において、第１実施形態の内回転子２４に埋設された内永久磁石２５ａ、２５ｂの部分を、空孔部４２４ｂとした構造を採っている点が、第１実施形態の電動機２０と異なるところである。
【００７７】
即ち、電動機４２０は、「コイル２２を有する固定子２１」と、「外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２を保持する外回転子２６、および該外回転子２６に対して回転軸同心かつ回転径方向内側に位置し該外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２に対して短絡磁路を形成し得る強磁性体を回転方向に非連続に有する内回転子４２４、を有し、外回転子２６および内回転子４２４が一体となって回転する回転子４２３」と、「外回転子２６の、内回転子４２４に対する回転方向の位相を変更する回転子位相制御機構」と、を備える。
【００７８】
また、この内回転子４２４は強磁性体からなり、当該内回転子４２４の外周には、回転径方向外側に突出する突極部４２４ａと回転外周上内側に窪む空孔部４２４ｂとを交互に有する。したがって、内回転子４２４はその回転方向に突極部４２４ａと空孔部４２４ｂとが交互に配置される形状となっている。さらに外回転子２６は、外永久磁石２７ａ１と２７ｂ２、および２７ａ２と２７ｂ１の２つ１組で回転子磁極が構成され、所定数の前記回転子磁極が、当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置され、回転子磁極を構成する１組の外永久磁石２７ａ１と２７ｂ２（および２７ａ２と２７ｂ１）は突極部４２４ａの回転方向幅と同等の間隔をもって外回転子２６に配置されている。そして突極部４２４ａの頂部は外回転子２６と接触しており、そのため外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２が発する磁束はこの接触部を通してない回転子４２４まで達する。
【００７９】
このように構成することで、図１１（Ａ）　に示すように、外回転子２６の２つで一対一組の外永久磁石２７ｂ２と外永久磁石２７ａ１とが構成する回転子磁極において、その外永久磁石２７ｂ２、２７ａ１の間に内回転子４２４の空孔部４２４ｂが配置された状態においては、２つで一対一組の外永久磁石２７ｂ２、２７ａ１が発生する磁束は、この空孔部４２４ｂによって内回転子４２４へ通ずることができず、したがって２つで一対一組の外永久磁石２７ｂ２、２７ａ１が発生する磁束はその殆どが固定子２１へ達する（図１２（Ａ）　参照のこと）。即ち、回転子４２３に埋設された外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２の磁力の大部分が、固定子２１に備えられたコイル２２によって発生する磁力と相互作用を生ずることができ、高トルクを得ることができる。
【００８０】
一方、図１１（Ｂ）　に示すように、内回転子４２４が外回転子２６に対して相対回転し、外回転子２６の２つで一対一組の外永久磁石２７ｂ２と外永久磁石２７ａ１とが構成する磁極のその外永久磁石２７ｂ２、２７ａ１の間に内回転子４２４の突極部４２４ａが配置された状態においては、２つで一対一組の外永久磁石２７ｂ２、２７ａ１が発生する磁束の一部は、この突極部４２４ａを通して内回転子４２４を通り循環することとなる。したがって、外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２が発生する磁束のうち、内回転子４２４を通る分だけ、固定子２１へ達する磁束が減じられるため、固定子２１のコイル２２に発生する誘導起電圧を減少させることができる。よって、電動機４２０の高回転を実現することができる。
【００８１】
本第５実施形態に係る電動機４２０によると、回転子４２３は、外回転子２６と当該外回転子２６に対し回転軸同心かつ回転径方向外側に位置する内回転子とを有する２重構造とし、外回転子２６には外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２を、また内回転子４２４には外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２とともに短絡磁路を形成し得る強磁性体を回転方向に非連続に有する。そして、回転子位相制御機構は、回転方向に対し、外回転子２６と内回転子との相対位置を変更可能な構成をとる。つまり、強磁性体が位置しないところは非磁性（磁束を通さない）になるので、内回転子４２４を回転させることで、外回転子２６の外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２と内回転子４２４の強磁性体との相対位置を変え、もって外永久磁石２７ａ１、２７ａ２、２７ｂ１、２７ｂ２の磁束の経路を変化させることができる。
【００８２】
これにより、低回転時においては磁束が固定子２１へより達するように、また高回転時においては回転子４２４内に磁束が通るように、内外回転子の相対回転を制御することによって、低回転時には高トルクを得ることができ、高回転時には回転子４２３全体が発生する磁力としては、低回転時よりも遥かに弱めることができる。したがって、回転子４２３全体の高回転に伴う誘導起電圧の発生を抑制することができるので、高回転域まで回転させることができる。
【００８３】
なお、第１、第２、第３および第５の実施形態では内回転子と外回転子が相対回転可能であることが特徴であるが、内回転子の内周と外回転子の外周は相対回転に支障のない程度に接触している（即ち、摺動抵抗が相対回転に支障なき程度に接触している）代わりに磁束が通過するのに支障のない程度のエアギャップを介して対峙するように構成してもよい。
【００８４】
また、外回転子には２つ１組の永久磁石により回転子磁極を構成するようにしたが２つ以上の外永久磁石により回転子磁極を構成してもよい。即ち、１つの回転子磁極が複数の外永久磁石により一対一組で構成され、当該一対の外永久磁石が所定の間隔をもって配置されて回転子磁極を構成し、当該所定の間隔とは、内回転子に配置された内永久磁石もしくは電磁石の周方向幅と略同等の長さであれば、一対の外永久磁石が２つでなくとも４つ、６つ等で構成されていても本発の効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電動機の固定子および回転子の構成を示す径方向断面図である。
【図２】本第１実施形態に係る電動機の構成を示す軸方向断面図である。
【図３】図２に示すＩＩＩ　−ＩＩＩ　線断面による説明図で、図３（Ａ）　は回転子の内回転子が進角方向に移動した場合のもの、図３（Ｂ）　は回転子の内回転子が遅角方向に移動した場合のものである。
【図４】本第１実施形態に係る電動機の径方向１／４断面図で、図４（Ａ）　は内回転子の内永久磁石が磁力を強め合う位置ある場合のもの、図４（Ｂ）　は内回転子の内永久磁石が磁力を弱め合う位置ある場合のものである。
【図５】本第１実施形態に係る電動機の回転子から発生する磁束線の状態を計算機により磁場解析した結果を示す磁束線図で、図５（Ａ）　は内回転子が図４（Ａ）　に示す位置にある場合のもの、図５（Ｂ）　は内回転子が図４（Ｂ）　に示す位置にある場合のものである。
【図６】本第１実施形態に係る電動機の回転数と出力トルクとの関係を模式的に示した特性図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る電動機を構成する回転子の構成概要を示す径方向断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る電動機を構成する回転子の構成概要を示す径方向断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る電動機の構成を示す径方向断面図である。
【図１０】本第４実施形態に係る電動機の構成を示す軸方向断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る電動機の構成を示す径方向断面図である。
【図１２】本第５実施形態に係る電動機の回転子から発生する磁束線の状態を計算機により磁場解析した結果を示す磁束線図で、図１２（Ａ）　は内回転子が図１１（Ａ）　に示す位置にある場合のもの、図１２（Ｂ）　は内回転子が図１１（Ｂ）　に示す位置にある場合のものである。
【符号の説明】
２０　　　　電動機
２１　　　　固定子
２２　　　　コイル
２３　　　　回転子
２４　　　　内回転子
２５ａ　　　内永久磁石　　（第１の永久磁石）
２５ｂ　　　内永久磁石　　（第１の永久磁石）
２６　　　　外回転子
２７ａ１　　　外永久磁石　　（第２の永久磁石、永久磁石）
２７ａ２　　　外永久磁石　　（第２の永久磁石、永久磁石）
２７ｂ１　　　外永久磁石　　（第２の永久磁石、永久磁石）
２７ｂ２　　　外永久磁石　　（第２の永久磁石、永久磁石）
２９　　　　回転子シャフト
３０　　　　ハウジング
３１　　　　内回転子支持部（回転子位相制御機構）
３２　　　　外回転子支持部（回転子位相制御機構）
３４　　　　ベアリング　　（回転子位相制御機構）
３５　　　　ベアリング　　（回転子位相制御機構）
３９　　　　作動油　　　　（回転子位相制御機構）
１２０、２２０、３２０、４２０　　電動機
１２３、２２３、３２３、４３２　　回転子
１２４、２２４、３２４、４３４　　内回転子
１２５ａ、２２５ａ　　　　　　　　内永久磁石（第１の永久磁石）
１２５ｂ、２２５ｂ　　　　　　　　内永久磁石（第１の永久磁石）
１２６、２２６　　　　　　　　　　外回転子
１２７ａ１、２２７ａ　　　　　　　　外永久磁石（第２の永久磁石）
１２７ａ２　　　　　　　　　　　　　外永久磁石（第２の永久磁石）
１２７ｂ１、２２７ｂ　　　　　　　　外永久磁石（第２の永久磁石）
１２７ｂ２　　　　　　　　　　　　　外永久磁石（第２の永久磁石）
３２４ａ　　　　　　　　　　　　　鉄心部
３２４ｂ　　　　　　　　　　　　　空孔部
３２５　　　　　　　　　　　　　　電磁石
３５０　　　　　　　　　　　　　　界磁電流制御装置
４２４ａ　　　　　　　　　　　　　突極部
４２４ｂ　　　　　　　　　　　　　空孔部
Ｊ　　　　　　　　　　　　　　　　回転軸
Ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　エアギャップ

Claims (6)

1. コイルを有する固定子と、
   第１の永久磁石を保持する内回転子、および該内回転子に対し回転軸同心かつ回転径方向外側に位置し第２の永久磁石を保持する外回転子、を有し、前記内回転子および前記外回転子が一体となって回転する回転子と、
   前記外回転子の、前記内回転子に対する回転方向の位相を変更する回転子位相制御機構と、
   を備えることを特徴とする電動機。
2. 前記外回転子には、少なくとも２つ以上からなる１組の前記第２の永久磁石によって回転子磁極が構成され、
   所定数の前記回転子磁極が、当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置され、
   各回転子磁極を構成する前記１組の第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石の回転子周方向の幅と略同等の間隔をもって前記外回転子に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記内回転子が保持する第１の永久磁石は、当該内回転子の回転方向に順次異なった磁極の極性を有するように配置され、
   前記回転子位相制御機構は、前記回転子の回転数に応じて、前記第１の永久磁石を、前記１組の第２の永久磁石の間に、回転子磁極と回転径方向に同じ極性となる同極性位置から、逆の極性となる逆極性位置まで、変更可能であることを特徴とする請求項２に記載の電動機。
4. コイルを有する固定子と、永久磁石および電磁石を有する回転子と、からなる電動機であって、
   前記回転子には、少なくとも２つ以上からなる１組の前記永久磁石によって回転子磁極が構成され、
   所定数の前記回転子磁極が、当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置され、
   前記電磁石は、前記回転子磁極ごとに、前記１組の永久磁石の間で、かつ前期永久磁石よりも前記回転子の回転径方向内側に配置されていることを特徴とする電動機。
5. コイルを有する固定子と、
   永久磁石を保持する外回転子、および該外回転子に対して回転軸同心かつ回転径方向内側に位置し該外回転子の永久磁石に対して短絡磁路を形成し得る強磁性体を回転方向に非連続に有する内回転子、を有し、前記外回転子および前記内回転子が一体となって回転する回転子と、
   前記外回転子の、前記内回転子に対する回転方向の位相を変更する回転子位相制御機構と、
   を備えることを特徴とする電動機。
6. 前記内回転子は強磁性体からなり、当該内回転子の外周には、回転径方向外側に突出する突極部と回転外周上内側に窪む空孔部とを交互に有し、
   前記外回転子には、少なくとも２つ以上からなる１組の前記永久磁石によって回転子磁極が構成され、
   所定数の前記回転子磁極が、当該回転子の回転方向に順次異なった極性を有するように配置され、
   前記１組の永久磁石は、前記内回転子が有する突極部の回転方向幅と略同等の間隔をもって前記外回転子に配置されることを特徴とする請求項５記載の電動機。

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