JP5141030B2

JP5141030B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5141030B2
Application number: JP2007029664A
Authority: JP
Inventors: 祐一渋川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: JP2007252184A; US7671494B2; US20070188036A1; CN101022226B; EP1819030A1; EP1819030B1; CN101022226A

Description

本発明は、回転電機の誘起電圧を低減する技術、特に、永久磁石の磁束を短絡させることにより回転電機のロータと回転電機のステータとの間で形成される磁気回路に流れる磁束を低減する技術に関するものである。

永久磁石を具えた回転電機は、ロータの高回転時に誘起電圧が高くなるため、ロータの高回転時には永久磁石の磁束を短絡して誘起電圧を抑制する技術として、例えば特許文献１に記載のごときものが知られている。

特許文献１に記載の永久磁石式回転電機は、複数の永久磁石を有するロータと、電流が通電される複数のコイルを有し、前記コイルと前記永久磁石との間で磁気回路を形成してロータを駆動するステータと、前記永久磁石の磁束を短絡させる短絡状態と短絡させない通常状態とを切替可能な短絡部材と、前記短絡部材を駆動して前記短絡状態と前記通常状態とを切替えるアクチュエータとを備える。
特開２００１−３１４０５３号公報

しかし、上記従来技術では、前記短絡状態と前記通常状態とを切替えるためにアクチュエータを別途設ける必要があり、回転電機が大型化してしまうといった問題を生ずる。

本発明は、上述の実情に鑑み、アクチュエータを別途設けることなく永久磁石の磁束を短絡させることができる回転電機を提案するものである。

この目的のため本発明による回転電機は、ステータのコイルに複合電流を通電し、複合電流の第１電流成分でロータを駆動するとともに、複合電流の第２電流成分で短絡状態と通常状態を切替える構成とした。

かかる本発明の構成によれば、複合電流を回転電機のステータのコイルに通電するため、既存のステータによって永久磁石を短絡させることが可能となり、アクチュエータを別途設ける必要がなく、回転電機が大型化することを防止できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例になる回転電機の構造を模式的に示す斜視図である。また、図２は、図１のＩ−Ｉ断面を周方向に展開したときの模式図であり、図３は、図１のII−II断面を周方向に展開したときの模式図である。
この実施例は、ステータ３とロータ１とを径方向に配置し、これらステータ３とロータ１の間に径方向の空隙（ラジアルエアギャップ）４を設けたラジアルギャップ構造の回転電機である。
回転電機のロータ１は、複数の永久磁石８，８・・・を有する駆動ロータＡ（請求項１のロータに相当）と、永久磁石８，８・・・を短絡させるための短絡ロータＢ（請求項１の短絡部材に相当）から構成される。ここで、駆動ロータＡは、第１駆動ロータＡ１（請求項６、７の第１ロータに相当）と第２駆動ロータＡ２（請求項６、７の第２ロータに相当）から構成される。
そして、詳しくは後述するが、これら駆動ロータＡおよび短絡ロータＢは、(1)通常、互いに同じ位相を保つよう、同じ速度で回転（一体回転）する。(2)所定の条件が成立すると、駆動ロータＡと短絡ロータＢの位相が所定量ずれるよう、駆動ロータＡと短絡ロータＢとの間に瞬間的に回転速度差が生じ、短絡ロータＢが駆動ロータＡに対して所定量だけ回転（相対回転）する。(3)相対回転後は、駆動ロータＡおよび短絡ロータＢは位相がずれた状態で一体回転する。
厚みを具えた円盤形状のロータ１の両面中央部にはロータ回転軸２を設ける。そしてロータ回転軸２の両端を図示しない軸受で回転可能に支持する。

ロータ１の外径方向には、回転電機のステータ３を配置し、外径側にあるステータ３と内径側にあるロータ１の間に空隙４を設けてラジアルギャップ構造の回転電機とする。ステータ３には複数のティース５を、周方向等間隔に配置する。図１には、このうち１個のティース５を断面にして示す。中空円筒形状のステータコア１６内周面には、内径方向にティース５，５・・・を立設し、ティース５の先端を幅広形状にしてロータ１へ指向させる。径方向に延在するティース５の周囲にはコイル６を巻回する。

空隙４を挟んでステータ３（のティース５）と向かい合う駆動ロータＡ１のギャップ面７ａには、複数の永久磁石８，８，８・・・を、周方向に配列する。
図１に示すように、ロータ１はその中央に環状体の短絡ロータＢを具える。短絡ロータＢの軸方向両側には円盤形状の第１駆動ロータＡ１と第２駆動ロータＡ２を具える。
換言すれば、駆動ロータＡは、前記ステータ３との間の径方向の空隙４に面して、短絡ロータＢの両隣に第１駆動ロータＡ１と第２駆動ロータＡ２を具える。
駆動ロータＡのギャップ面７ａには上述した永久磁石８，８，８・・・を設ける。ここで永久磁石８はＮ極が外径方向へ向き、これに隣接する永久磁石８はＳ極が外径方向へ向くよう、周方向に順次異極になるよう配列する。また軸方向にみた場合、両側の第１駆動ロータＡ１，第２駆動ロータＡ２には永久磁石８を同極に配置する。

短絡ロータＢのギャップ面７ｂには更に、突出する複数の突極（磁極）９，９・・を設ける。突極９は、短絡ロータＢのギャップ面７ｂに、周方向に複数配列される。短絡ロータＢを磁性体で形成することから、突極９も磁性体で形成する。隣り合う突極９同士の間には空隙１０を設ける。
換言すれば、短絡ロータＢは、歯車形状を取ることによって、周方向に複数の突極９と空隙１０とを具える。図４は、短絡ロータＢを模式的に示す斜視図である。図４に示すように短絡ロータＢには、突極９と空隙１０とを、周方向に交互に配列する。突極９は全周に亘り８個設けられている。また空隙１０も全周に亘り８個設けられている。そして、これら突極９の周方向長さと空隙１０の周方向長さは同一である。

これに対し、永久磁石８は全周に亘り２倍の１６個設けられている。つまり、第１駆動ロータＡ１と第２駆動ロータＡ２のそれぞれが全周に亘り１６個ずつの永久磁石８を有している。
そして図１に示すように、これら永久磁石８の周方向長さは突極９（空隙１０）の周方向長さと同一である。

図５は、回転軸を含む面でロータ１を断面にして示す縦断面図である。ロータ出力軸２には駆動ロータＡを結合する。駆動ロータＡのラジアルギャップ面７には内径方向に向けて凹部１２を形成する。凹部１２は駆動ロータＡの全周に亘り、この凹部１２には、環状体の短絡ロータＢ（図４）を収容する。
ここで付言すると、ロータ１を外径側から俯瞰した場合、図１に示すように、軸方向両側に２枚の駆動ロータＡ１，Ａ２が配置されているように見えるものの、これら駆動ロータＡ１，Ａ２は図５に示すように中央部で結合し、一体に形成されている。短絡ロータＢは、軸受１３を介して、駆動ロータＡに相対回転可能に取り付けられる。

図５の下半分に示すように永久磁石８の径方向厚みは空隙１０の径方向寸法よりも小さい。このように空隙１０を永久磁石８の径方向厚みよりも大きくすることで、非短絡時には、永久磁石８，８の磁束が短絡ロータＢに漏れることを回避する。

また図５に示す実施例の他、図６の縦断面図に示すように、予め第１駆動ロータＡ１，第２駆動ロータＡ２をそれぞれ別体で形成しておき、これら駆動ロータＡ１，Ａ２をロータ回転軸２に一体に結合することによっても、上述した図５に示す実施例と同等の作用を奏することができる。この場合、ロータ回転軸２にまず軸受１３および短絡ロータＢを取り付け、次に両側から第１駆動ロータＡ１、第２駆動ロータＡ２を固設すればよく、組み立て性能が向上する。

次に、上述した本実施例の回転電機の駆動について説明する。

本実施例では、複合電流を用いることにより、駆動ロータＡと短絡ロータＢを別個に駆動することができる。つまり、駆動ロータＡと短絡ロータＢとが一体回転するよう駆動できるとともに、駆動ロータＡと短絡ロータＢとが相対回転するよう駆動することもできる。

駆動ロータＡの駆動につき説明する。
電磁石のコイル６は、図示しないインバータおよびバッテリを具えた電気回路と接続する。この電気回路は、図１〜図３に示すコイル６に複合電流を通電する。そうすると、電磁石のティース５先端と永久磁石８との間に磁力が作用する。つまり、複合電流に含まれる第１電流成分が、ティース５を通過する径方向の磁束を発生させる。そして、あるティース５を通過する磁束が、このティース５の内径側で空隙４と一個の永久磁石８と駆動ロータＡ内部を通過し、他の永久磁石８と空隙４とを通過して、他のティース５に至る。さらに、他のティース５を通過する磁束が、このティース５の外径側でステータコア１６を通過して元のティース５に戻って１周する第１磁気回路Φ１（図２参照）を形成する。
この結果、駆動ロータＡはトルクを与えられて駆動される。また、駆動ロータＡを具えたロータ１も駆動され、ロータ１に結合した回転軸２が当該トルクおよび外部からの負荷に応じて回転する。

短絡ロータＢの駆動につき説明する。
コイル６に複合電流を通電すると、電磁石のティース５先端と突極９との間に磁力が発生する。つまり、複合電流に含まれる第２電流成分が、あるティース５を通過する径方向の磁束を発生させる。そして、あるティース５を通過する磁束が、このティース５の内径側で空隙４と一個の突極９と短絡ロータＢ内部を通過し、他の突極９と空隙４を通過して、他のティース５に至る。さらに、他のティース５を通過する磁束が、このティース５の外周側でステータコア１６を通過して元のティースに戻って１周する第２磁気回路Φ２（図３参照）を形成する。
この結果、短絡ロータＢはトルクを与えられて駆動される。
なお、複合電流については本出願人による特開平１１−２７５８２６号公報に記載の技術を用いる。

上述したように複合電流を用いることで、駆動ロータＡのトルクと、短絡ロータＢのトルクを個別に制御することが可能であり、両トルクに差をつけたり、一方のトルクを０にしたりすることで、短絡ロータＢを駆動ロータＡに対して相対回転することができる。例えば、駆動ロータＡと短絡ロータＢとを同じトルクで駆動すると、駆動ロータＡと短絡ロータＢの双方が一体回転し、短絡ロータＢの相対回転はない。一方、駆動ロータＡと短絡ロータＢとを異なるトルクで駆動すると、駆動ロータＡと短絡ロータＢとが相対回転する。

ロータ１の回転数が、所定回転数未満である低回転時では、駆動ロータＡおよび短絡ロータＢの相対位置関係を、図９で示すように揃える。図９は、周方向に配列した永久磁石８と、突極９と、空隙１０とを展開して示す説明図である。
ロータ１の低回転時では、突極９が隣接する２個の永久磁石８，８にまたがって位置しないよう、つまり突極９の周方向位置と永久磁石８の周方向位置とを揃えておく。
図９に示す状態では、突極９が、異極になるよう隣接する２個の永久磁石８，８にまたがって位置しないため、突極９がこれら永久磁石同士の磁束を短絡することがない（請求項１の通常状態に相当）。
したがって、上述した第１磁気回路Φ１の磁束は大きいものとなり、モータ効率を高めることができる。

所定回転数以上などの所定の条件が成立すると短絡ロータＢを駆動して、駆動ロータＡに対し相対回転させる。

つまりロータ１の回転数が、所定回転数以上である高回転時では、短絡ロータＢを駆動して、駆動ロータＡおよび短絡ロータＢの相対位置関係を、図１０中の紙の上で下向き矢に示すようにずらす。図１０も、周方向に配列した永久磁石８と、突極９と、空隙１０とを展開して示す説明図である。
ロータ１の高回転時では、突極９が隣接する２個の永久磁石８，８にまたがって位置するよう、短絡ロータＢを駆動ロータＡに対して回転させる。
図１０に示す状態では、突極９が、異極になるよう隣接する２個の永久磁石８，８にまたがって位置するため、突極９が図１０中の二点鎖線で示すように、これら永久磁石８同士の磁束を短絡する（請求項１の短絡状態に相当）。
したがって、上述した駆動ロータＡを通過する第１磁気回路Φ１の磁束は小さいものとなり、コイル６の誘起電圧を低減することができる。
なお、上述した回転の他、図示はしなかったが、突極９をロータ軸方向に移動させて、これら永久磁石８同士の磁束を短絡してもよい。

ここで付言すると、突極９を２個の永久磁石８に広くまたがるよう配置する場合と、狭くまたがるよう（殆ど揃っているよう）配置する場合とで、２個の永久磁石同士で短絡される磁束量が異なること勿論である。
したがって図示はしなかったが、図９に示すように突極９と永久磁石８とを揃えた状態から、突極９を僅かにずらすと、隣接する２個の永久磁石８，８に狭くまたがって位置し、短絡される磁束量は少ない。
これに対し図示はしなかったが、図１０に示すように突極９と永久磁石８とをずらした状態から、突極９を更にずらし、突極９の半分を一方の永久磁石８に重ね、突極９の残る半分を他方の永久磁石８に重ねると、隣接する２個の永久磁石８，８に最大限に広くまたがって位置し、短絡される磁束量は最大になる。

このように短絡ロータＢのずれを調節することで、突極９が２個の永久磁石８，８にまたがる量を可変とすることができ、短絡される磁束量を変化させることができる。

上述した他、本実施例では、回転電機に電力を供給するバッテリの異常を検出した時や、これら回転電機およびバッテリ間を接続する電気回路の異常を検出した時に、複合電流を制御して、永久磁石の磁束を短絡する。
この結果、本実施例では、バッテリ異常時や電気回路の異常時には、ロータ１の回転数にかかわらず回転電機の誘起電圧を低減することができ、バッテリや電気回路の保全を図ることができる。

さらに本実施例では、ロータ１の回転数や、電気回路の異常の有無にかかわらず短絡される磁束量を可変とすることが可能であることから、従来の回転電機と比較して、運転領域を拡大することができる。

図１４には、２種類の一般的な従来例および本実施例の運転領域（トルク領域および回転数領域）を比較して示す特性図である。
図１４中、横軸はロータ回転数を表し、縦軸はロータトルクを表す。図１４中に長い破線で示したトルク重視の従来例では、誘起電圧が高くならないよう、回転数領域を狭くし、トルク領域を広くして設計される。これに対し、図１４中に短い破線で示したパワー重視の従来例では、高い誘起電圧を許容して回転数領域を広くし、定出力曲線を前記トルク重視のそれよりも大きく設計される反面、トルク領域が狭くなる。
したがって、これら２種類の一般的な従来例においては、回転数領域およびトルク領域の一方を広くすると他方が狭くなるというトレードオフの関係にあった。

しかしながら本実施例では、ロータ回転数に係わらず、短絡される磁束量を変化させることができるため、図１４中に実線で示すように、回転数領域およびトルク領域の両方を広くすることが可能である。この結果、本実施例では、図１４に示す横軸と縦軸と定出力曲線とで囲まれる運転領域を広くすることが可能となり、運転性能を格段に向上させることができる。

なお、上述した誘起電圧の低減中に、ロータ１回転数が所定回転数未満に戻る等の通常の状態に復帰すると、再度短絡ロータＢを駆動して駆動ロータＡに対し相対回転させる。そして図９に示すように、突極９の周方向位置を永久磁石８の周方向位置に揃えておく。
これにより、第１磁気回路Φ１の磁束は大きいものとなり、通常の状態で回転電機を運転することができる。

また図５および図６に示すロータ１の実施例の他、回転電機のロータは図５に示すようなものであってもよい。
図７は、ロータ１１を軸直角平面で断面にして示す横断面図である。図８は、図７のIII−III断面図である。

図７、図８に示す他の実施例では、駆動ロータＡと短絡ロータＢが相対回転によって位相差を生じるとき、位相差を所定量以内に制限し、位相差が所定量を超える相対回転を防止するストッパを付加し、また、弾性体１５を介して、短絡ロータＢを駆動ロータＡに相対回転可能に取り付けたものである。
ここで、上述した図５および図６に示すロータ１と同等の要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なる要素については、新たに符号を付して説明する。

図７に示すロータ１１も、駆動ロータＡと短絡ロータＢから構成される。
駆動ロータＡのギャップ面全周に亘って形成した凹部１２には、短絡ロータＢを収容する。
ただし、図７に示すように、凹部１２の外周を全周に渡って星型多角形に形成し、駆動ロータＡ側ストッパ５０Ａとする。一方、短絡ロータＢの内周も相似形となるよう星型多角形に形成し、短絡ロータＢ側ストッパ５０Ｂとする。凹部１２全周の外径側に短絡ロータＢを同軸に配置して、これら凹部１２の星型多角形と短絡ロータＢの星型多角形との間に空隙１４を設ける。短絡ロータＢが駆動ロータＡに対して所定量だけ相対回転すると、短絡ロータＢの内周が凹部１２に衝接し、短絡ロータＢの回転量を所定量以内に制限する。つまり、駆動ロータＡ側ストッパ５０Ａと短絡ロータＢ側ストッパ５０Ｂとでストッパ５０を形成する。

したがって上記の衝接位置を設定することにより、図９に示すように突極９の周方向位置が永久磁石８と揃う状態と、図１０に示すように突極９の周方向位置が異極に配置された永久磁石８，８にまたがる状態とを容易に達成することができる。
ここで、所定量は、通常状態から短絡状態に相対回転させるに際して、突極９が隣接する２個の永久磁石に最大限に広くまたがって位置する相対回転量、すなわち、短絡される磁束量が最大になる相対回転量以下の値である。

また、図７、図８に示すように、短絡ロータＢ内周と駆動ロータＡの凹部１２外周との間に、弾性体１５を、周方向に複数等間隔に配設する。ここで好ましくは、各弾性体１５の伸縮方向が略周方向となるよう設置し、弾性体１５は短絡ロータＢを周方向に付勢する。

また弾性体１５の付勢方向を、図９に示すように突極９の周方向位置が永久磁石８と揃う状態に設定しておくことにより、ロータ１回転数の高回転時には、短絡ロータＢを駆動して、図１０に示すように突極９をずらしておき、ロータ１回転数が低回転数に戻る等の通常の状態に復帰すると、短絡ロータＢの駆動を中止するのみで、短絡ロータＢ内周が多角形状の凹部１２に衝接するまで弾性体１５が短絡ロータＢを周方向に付勢して、突極９の周方向位置を自動的に永久磁石８に揃えることが可能になる。
したがって、通常の状態に復帰する際に短絡ロータＢを駆動する必要をなくして、復帰手順を容易にすることができる。

または弾性体１５の付勢方向を、図１０に示すように突極９の周方向位置が異極に配置された永久磁石８，８にまたがる状態に設定しておき、上述とは逆回転方向に短絡ロータＢを駆動してもよい。
つまり、弾性体１５の付勢方向を、図１０に示すように突極９の周方向位置が永久磁石８とずれた状態に設定しておくことにより、ロータ１回転数の低回転時には、短絡ロータＢを駆動して、図９に示すように突極９の周方向位置を永久磁石８と揃えておき、ロータ１回転数が高回転時に、短絡ロータＢの駆動を中止するのみで、短絡ロータＢ内周が多角形状の凹部１２に衝接するまで弾性体１５が短絡ロータＢを周方向に付勢して、突極９の周方向位置を自動的に永久磁石８とずらすことが可能になる。

次に本発明の別の実施例について説明する。
図１１は、本発明の別の実施例になる回転電機の構造を、一部断面にして示す斜視図である。ここで、上述したロータ１およびステータ３と略同等の要素については、末尾の符号を統一してある。
この実施例は、ステータ１０３とロータ１０１，１２１とを軸方向に配置し、これらステータ１０３とロータ１０１，１２１の間に軸方向の空隙（アキシャルエアギャップ）１０４，１０４を設けたアキシャルギャップ構造の回転電機である。

図示しない回転電機ケースにはステータ１０３を取り付ける。ステータ１０３は、複数個のティース１０５を具える。複数個のティース１０５は、図１１に一点鎖線で示すロータ回転軸Ｏの周方向に配列されるが、本図においては1個のティース１０５のみを断面にして示し、他を省略してある。ティース１０５の両端はそれぞれロータ１０１とロータ１２１とに対向する。ロータ回転軸Ｏ方向に延在するティース１０５の中央部には、コイル１０６を巻回し、これらティース１０５およびコイル１０６が電磁石を構成する。

ステータ１０３のロータ回転軸Ｏ方向の一方側にはロータ１０１を配置する。同様に、ステータ１０３のロータ回転軸Ｏ方向の他方側にはロータ１２１を配置する。そしてロータ１０１およびロータ１２１を共通するロータ回転軸で一体に結合する。これらロータ１０１およびロータ１２１は、図１１紙面において上下に対称な構造であるため、一方のロータ１０１につき、代表して説明する。

ロータ１０１は、複数の永久磁石８，８・・・を有する駆動ロータＡと、永久磁石８，８・・・を短絡させるための短絡ロータＢから構成される。ここで、駆動ロータＡは、第１駆動ロータＡ１（請求項６、７の第１ロータに相当）と第２駆動ロータＡ２（請求項６、７の第２ロータに相当）から構成される。そして、詳しくは後述するが、これら駆動ロータＡおよび短絡ロータＢは、通常一体となって回転し、所定の条件が成立すると短絡ロータＢが駆動ロータＡに対し相対回転する。ロータ１０１はロータ回転軸Ｏを中心とした環状体であるが、図１１にはその一部分である略１／４を破断して示す。

駆動ロータＡも短絡ロータＢも、ロータ回転軸Ｏを中心とした環状体である。図１１に示すように駆動ロータＡには、同軸に環状の溝１２２を形成し、この環状溝１２２には環状の短絡ロータＢを相対回転可能に取り付ける。換言すれば、前記ステータ３の間の軸方向の空隙１０４に面して短絡ロータＢの両隣に第１駆動ロータＡ１と第２駆動ロータＡ２を具える。
図１２は、この短絡ロータＢの一部分（略１／３）を破断して示す。

空隙１０４と向き合う駆動ロータＡのギャップ面には、永久磁石１０８を周方向に複数配列する。ここで永久磁石は、１個の永久磁石に係るＮ極を空隙１０４に向け、周方向で隣り合う他の１個の永久磁石１０８に係るＳ極を空隙１０４に向けて、周方向に順次異極となるよう配列し、周方向長さを等しくする。
短絡ロータＢからみて内径側の永久磁石１０８と、外径側の永久磁石１０８とは、Ｎ極同士、若しくはＳ極同士のように同軸に配列し、ロータ回転軸Ｏを中心として占有する角度を等しくする。したがって、外径側の永久磁石１０８の周方向端と内径側の永久磁石１０８の周方向端とを直線で結び、この直線を内径方向に延長するとロータ回転軸Ｏと交差する。

ギャップ面にＳ極を向けた内径側の永久磁石１０８と、同じくギャップ面にＳ極を向けた外径側の永久磁石１０８との間には、突極１０９を設ける。通常は図１１に示すように、突極１０９の周方向位置を両側の永久磁石１０８の周方向位置に揃えておく。周方向で隣り合う突極１０９同士の間には空隙１１０を設ける。通常は図１１に示すように、空隙１１０の周方向位置を、ギャップ面にＮ極を向けた両側の永久磁石１０８の周方向位置に揃える。
つまり短絡ロータＢには、図１１および図１２に示すように周方向長さが等しい突極１０９と空隙１１０とを、周方向に順次交互に配列する。
なお、図には示さなかったが、ギャップ面にＮ極を向けた径方向両側の永久磁石１０８，１０８間に、突極１０９を設けるよう、図１１とは逆の配置であってもよいこと勿論である。

このように突極１０９と空隙１１０とを順次交互に配列すると、永久磁石１０８の周方向個数が、突極１０９の周方向個数の２倍となる。このように、永久磁石８の個数を突極９の個数の２倍にしたことにより、本実施例においても複合電流を用いて駆動ロータＡと短絡ロータＢとを別個に駆動することができる。

つまりロータ１０１の駆動にあっては、駆動ロータＡのみを駆動することや、駆動ロータＡと短絡ロータＢとを同時に駆動することや、短絡短絡ロータＢのみを駆動することが可能である。
通常は図９および前述したように、突極１０９の周方向位置を永久磁石１０８と揃えて、駆動ロータＡを駆動する。これに対し、所定回転数以上などの所定の条件が成立すると、前述したように短絡ロータＢを駆動する。そして短絡ロータＢを図１０中の矢の向きにずらし、突極１０９が異極となるよう隣接配置された２個の永久磁石１０８，１０８にまたがるようにしておく。

図９に示す状態では、突極１０９が、異極になるよう隣接する２個の永久磁石１０８，１０８にまたがって位置しないため、突極１０９がこれら永久磁石同士の磁束を短絡することがない。したがって、ロータ１０１，１２１およびステータ１０３間で形成される第１磁気回路Φ１の磁束は大きいものとなり、モータ効率を高めることができる。

図１０に示す状態では、突極１０９が、異極になるよう隣接する２個の永久磁石１０８，１０８にまたがって位置するため、突極１０９が二点鎖線で示す様にこれら永久磁石同士の磁束を短絡する。
したがって、ロータ１０１，１２１およびステータ１０３間で形成される第１磁気回路Φ１の磁束は小さいものとなり、コイル１０６の誘起電圧を低減することができる。

これまで説明してきたように、アキシャルギャップ型の回転電機（図１）であっても、ラジアルギャップ型の回転電機（図１１）であっても、短絡ロータＢには突極９，１０９を設けたことを特徴とする。そして所定の条件が成立したときには複合電流を用いて短絡ロータＢを駆動し、駆動ロータＡに設けた永久磁石８，１０８の磁束を短絡する。

短絡ロータＢは、上述した突極９，１０９と空隙１０，１１０の組み合わせの他、以下に説明するような構成であってもよい。

図１３は、短絡ロータＢの複数実施例を対比して示す周方向展開図である。
ここで（ａ）は、上述した図１または図１１の実施例における短絡ロータＢを示す。
また（ｂ）は、突極９（１０９）の内部に永久磁石１６を設けた短絡ロータＢを示す。
（ｂ）に示す実施例では、永久磁石１６の着磁方向を突極９の突出方向と同一、すなわちラジアルギャップ面またはアキシャルギャップ面と垂直にする。このように永久磁石１６を設けても、複合電流を用いて短絡ロータＢを別個に駆動することができる。

また（ｃ）は、空隙１０（１１０）を非磁性体で充填した短絡ロータＢを示す。
（ｃ）に示す実施例では、磁気抵抗の大きな樹脂１７などの非磁性体で隣り合う突極９，９間を充填することにより、上述した（ａ）に示す実施例と同様、永久磁石８，１０８の磁束を短絡することができる。

また（ｄ）は、突極９（１０９）と空隙１０（１１０）を複数の永久磁石に置き換えた短絡ロータＢを示す。
（ｄ）に示す実施例では、突極９および空隙１０を交互に配列する代わりに、永久磁石１８を短絡ロータＢ内部に埋め込むようにして設ける。図１３（ｄ）中、突極９に相当する周方向位置には、磁性体で形成したフロントヨーク部１９を設ける。そして、フロントヨークを挟むように、かつ、左右一対の永久磁石１８ａおよび１８ｂを、複数対周方向に配置する。永久磁石１８ａと永久磁石１８ｂとラジアルギャップ面（またはアキシャルギャップ面）とに囲まれるフロントヨーク部１９を、磁性体で形成する。このフロントヨーク部１９に向かうよう矢印で示すように、永久磁石１８ａ，１８ｂを一対同極に着磁する。

通常は図９に示すように、フロントヨーク部１９の周方向位置を永久磁石８（１０８）の周方向位置に揃えておき、フロントヨーク部１９が異極となるよう隣接した２個の永久磁石８，８（１０８，１０８）同士の磁束を短絡することがないようにする。
これに対しロータ１，１０１の高回転時など所定の条件が成立した時には、図１３（ｄ）に示す短絡ロータＢを複合電流で駆動する。そしてフロントヨーク部１９を、異極となるよう隣接した２個の永久磁石８，８（１０８，１０８）にまたがらせることにより、上述した図１０に示す実施例と同様、永久磁石８，１０８の磁束を短絡することができる。

ところで上述した各実施例では、ステータ３のコイル６に複合電流を通電し、複合電流に含まれる第１電流成分によって第１磁気回路Φ１を形成して駆動ロータＡを駆動するとともに、複合電流に含まれる第２電流成分によって第２磁気回路Φ２を形成して短絡ロータＢを駆動し短絡状態と通常状態とを切替える。

これにより、アクチュエータ等の作動機構を別途設ける必要がなく、既存の電磁石６（ステータ３）によって永久磁石８を短絡させることが可能となり、回転電機が大型化することを防止できる。さらに、上記実施例によれば、複合電流に含まれる他の電流成分を制御することによって、ロータ１の回転数とは無関係に短絡ロータＢを作動させることが可能となる。したがって、ロータ１の回転数にかかわらず任意の運転状態で永久磁石８の磁束を短絡させることができ、バッテリの異常時や、電気回路に設けた機器の温度上昇等、必要な場合には任意に誘起電圧を抑制することができる。
さらに、上記実施例によれば、ロータ１の回転数とは無関係に短絡ロータＢを作動させ得て、短絡される磁束量を可変とすることが可能であることから、図１４に示すように従来の回転電機と比較して、運転領域を拡大することができる。
加えて、駆動ロータＡは第１駆動ロータＡ１と第２駆動ロータＡ２を有し、これらの第１駆動ロータＡ１と第２駆動ロータＡ２がステータ３との間の径方向の空隙４または軸方向の空隙１０４に面して短絡ロータＢの両隣に設けられることにより、ステータ３から駆動ロータＡに作用する吸引反発力によって、ロータ回転軸に不要な力が作用することを防止できる。
すなわち、ラジアルギャップ構造の回転電機において、駆動ロータＡを一つとした場合、駆動ロータＡの軸方向中心がステータ３（ティース５）の軸方向中心に対してオフセットするため、ステータ３から駆動ロータＡへの吸引反発力によって駆動ロータＡに軸方向の力が作用し、ロータ回転軸に不要な力が作用することになる。しかしながら、短絡ロータＢの両隣に第１駆動ロータＡ１と第２駆動ロータＡ２を配置することで、軸方向の力が相殺され、ロータ回転軸に不要な力が作用することがない。
同様に、アキシャルギャップ構造の回転電機において、駆動ロータＡを一つとした場合、駆動ロータＡの径方向中心がステータ３（ティース１０５）の径方向中心に対してオフセットするため、ステータ３から駆動ロータＡへの吸引反発力によって駆動ロータＡに径方向の力が作用し、ロータ回転軸に不要な力が作用することになる。しかしながら、短絡ロータＢの両隣に第１駆動ロータＡ１と第２駆動ロータＡ２を配置することで、径方向の力が相殺され、ロータ回転軸に不要な力が作用することがない。

なお、永久磁石短絡機構として短絡ロータＢは、図１３(ａ)〜（ｄ）に例示するいずれのものであってもよい。

具体的には、ロータ１の高回転時に永久磁石８の磁束を短絡するが、これに限られない。すなわち、電磁石のコイル６に電力を供給するバッテリ（図示せず）の異常検出時、または電磁石のコイル６とバッテリとを接続する電気回路の異常検出時の少なくともいずれかの時に、永久磁石８の磁束を短絡する。
これにより、ロータ１の低回転時であっても、バッテリを保護することができるし、電気回路の構成部品であるインバータや、インバータ内の半導体素子を保護することができる。

また上記実施例では、ロータ１には永久磁石８を、ロータ回転軸を中心として周方向に複数配設し、磁性体からなる突極９を複数具えた環状体である短絡ロータＢを、ロータ１に取り付けたものとし、短絡ロータＢを回転して突極９が永久磁石８，８同士を短絡することことから、回転電機のトルクを用いて短絡ロータＢを作動させることができ、既存の回転電機と略同程度の大きさの回転電機で、誘起電圧の抑制を実現することができる。

また上記実施例では図１に示すように、ステータ３とロータ１とを径方向に配置し、これらステータ３とロータ１の間に空隙４を設けてラジアルギャップ構造とし、空隙４を挟んでステータ３と向かい合うロータ１のラジアルギャップ面７ａには、複数の永久磁石８，８・・・を周方向に順次異極になるよう配列し、ロータ１の当該ラジアルギャップ面７ｂには更に、突極９，９・・・を周方向に複数配列するよう、短絡ロータＢを取り付けたことから、
ラジアルギャップ型の回転電機において、本発明が目的とする誘起電圧の抑制を、必要な場合に実行することができる。

また上記実施例では図１１に示すように、ステータ１０３とロータ１０１，１２１とを軸Ｏ方向に配置し、これらステータ１０３とロータ１０１，１２１との間に空隙１０４を設けてアキシャルギャップ構造とし、空隙１０４を挟んでステータ１０３と向かい合うロータ１０１（１２１）のアキシャルギャップ面には、複数の永久磁石１０８を周方向に順次異極になるよう配列し、ロータ１０１の当該アキシャルギャップ面には更に、突極１０９を周方向に複数配列するよう、ロータ１０１に短絡短絡ロータＢを取り付けたことから、
アキシャルギャップ型の回転電機においても、本発明が目的とする誘起電圧の抑制を、必要な場合に実行することができる。

また上記実施例では、図１３（ｂ）および（ｄ）に示すように、突極９の内部に永久磁石１６や１８ａおよび１８ｂを設けてもよい。短絡ロータＢを図１３（ｂ）および（ｄ）に示すような構造としても、本発明の目的である永久磁石８，８同士の磁束の短絡を達成することができる。

また上記実施例では図５に示すように、短絡ロータＢ内周および駆動ロータＡの凹部１２を多角形に構成して隙間１４を設けたことにより、短絡ロータＢと駆動ロータＡとの相対回転を所定量以内に制限することが可能となる。したがって、図９に示すように突極９の周方向位置が永久磁石８と揃う状態と、図１０に示すように突極９の周方向位置が異極に配置された永久磁石８，８にまたがる状態とを容易に達成することができる。

また上記実施例では図５に示すように、弾性体１５を介して、短絡ロータＢを駆動ロータＡに相対回転可能に取り付けたことから、
短絡ロータＢが駆動ロータＡに対して無限に相対回転することがなく、短絡ロータＢの駆動中は、短絡ロータＢをずらしつつ、短絡ロータＢに与えた駆動力を、弾性体１５を介してロータ回転軸２から出力することができ、駆動力を無駄なく利用することができる。
また、弾性体１５の付勢により、短絡ロータＢの相対位置を、常態で図９に示すように永久磁石８と揃えておき、ロータ１回転数の高回転時には、弾性体１５の付勢力に抗して短絡ロータＢを駆動して図１０に示すようにずらすよう設定することが可能になる。したがってこのような設定の下では、ロータ１回転数が低回転数に戻る等の通常の状態に復帰すると、短絡ロータＢの駆動を中止するのみで、短絡ロータＢが図９に示すように常態位置まで付勢されて、突極９の周方向位置を自動的に永久磁石８に揃えることが可能になる。
したがって、通常の状態に復帰する際に短絡ロータＢを駆動する駆動をなくして、復帰手順を容易にすることができる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。
図１および図１１には、短絡ロータＢの両側に駆動ロータＡを配置するが、駆動ロータＡに作用する力にアンバランスが生じることを許容しうるならば、例えば、短絡ロータＢと駆動ロータＡをそれぞれ片側に配置してもよい。
また、駆動ロータＡ，短絡ロータＢ間の相対回転量を所定値以内に制限するストッパは、図５に示すように凹部全周および短絡ロータＢ内周を多角形とする他、回転運動を所定範囲内に制限する機構であればよい。

本発明の一実施例になる回転電機の構造を模式的に示す斜視図であり、図１のＩ−Ｉ断面を周方向に展開したときの模式図、図１ＡのII−II断面を周方向に展開したときの模式図である。同実施例の短絡ロータＢを模式的に示す斜視図である。同実施例のロータを、ロータ回転軸を含む面で断面にして示す縦断面図である。他の実施例になるロータを、ロータ回転軸を含む面で断面にして示す縦断面図である。他の実施例になるロータを、ロータ回転軸を含む面で断面にして示す縦断面図であり、図７のIII−III断面図である。ロータとステータとの相対位置関係を、周方向に展開して示す説明図であって、永久磁石の磁束を短絡していない状態を示す。ロータとステータとの相対位置関係を、周方向に展開して示す説明図であって、永久磁石の磁束を短絡した状態を示す。本発明の別の実施例になる回転電機の構造を、一部断面にして示す斜視図である。同実施例の短絡ロータＢの一部を、断面にして示す斜視図である。短絡ロータＢの複数実施例を対比して示す周方向展開図であって、（ａ）は図４および図１２の実施例を、（ｂ）は実施例（ａ）に示す突極の内部に永久磁石を埋設した実施例を、（ｃ）は実施例（ａ）に示す空隙を非磁性体で充填した実施例を、（ｄ）は短絡ロータＢを永久磁石型ロータに置き換えた実施例である。同実施例の運転領域を、一般的な従来例と比較して示す特性図である。

符号の説明

１ロータ
Ａ駆動ロータＡ
Ｂ短絡ロータＢ
２ロータ回転軸
３ステータ
４空隙（アキシャルギャップ）
５ティース
６コイル
７ロータ側のギャップ面
８永久磁石
９突極
１０空隙
１２凹部
５０ストッパ

Claims

ロータとステータと電気回路より構成される回転電機において、
前記ロータは、
複数の永久磁石を有する駆動部と、
前記永久磁石の磁束を短絡させる短絡状態と、短絡させない通常状態とを切替可能な短絡部とを有し、
前記ステータは、
複合電流が通電される複数のコイルを有し、
前記電気回路は、
前記複合電流の第１電流成分によって前記コイルと前記駆動部との間で第１磁気回路を形成して前記ロータを駆動するために前記コイルに通電を行い、前記複合電流の第２電流成分によって前記コイルと前記短絡部との間で第２磁気回路を形成して前記短絡状態と前記通常状態とを切替えるために前記コイルに通電を行う、
ことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記短絡部は、複数の磁極を有し、前記ロータに対して相対回転可能に隣接配置された環状体であり、相対回転によって前記磁極が周方向で前記永久磁石同士をまたぐとき前記短絡状態になり、またがらないとき前記通常状態になり、
前記ステータは、前記第２電流成分によって前記コイルと前記磁極との間で前記第２磁気回路を形成して前記短絡状態と前記通常状態とを切替えることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機おいて、
前記磁極の個数は、前記永久磁石の個数の１／２倍としたことを特徴とする回転電機。
請求項２または３に記載の回転電機において、
前記環状体と前記ロータとの位相差を所定量以内に制限するストッパを備えたことを特徴とする回転電機。
請求項２〜４のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記環状体と前記ロータとの間に介在する弾性体を備えたことを特徴とする回転電機。
請求項２〜５のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記ステータは、径方向の空隙を介して前記ロータおよび前記短絡部と径方向で対面し、
前記ロータは、前記径方向の空隙に面して前記短絡部の両隣に第１ロータと第２ロータとを有し、
前記第１ロータと第２ロータは、機械的に結合して一体回転することを特徴とする回転電機。
請求項２〜５のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記ステータは、軸方向の空隙を介して前記ロータおよび前記短絡部と軸方向で対面し、
前記ロータは、前記軸方向の空隙に面して前記短絡部の両隣に第１ロータと第２ロータとを有し、
前記第１ロータと第２ロータは、機械的に結合して一体回転することを特徴とする回転電機。