专利名称：旋转电机及搭载该旋转电机的车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可相应于转速改变有效磁通量的旋转电机及搭载该旋转电机的车辆。
另外，由于现有的旋转电机相应于旋转区域进行设计，所以，在需要低速旋转区域和高速旋转区域双方的场合，例如日本特开平9-132042号公报记载的那样，分别准备满足各区域的旋转电机进行使用。另外，如特开平7-298696号公报记载的那样，可由1个旋转电机切换驱动和发电模式。
本发明的代表性目的在于提供一种在低速旋转区域可获得大转矩特性、在高速旋转区域可获得大功率发电特性的旋转电机及搭载该旋转电机的车辆。另外，本发明的代表性目的在于提供一种在低速旋转区域可获得大转矩特性、在高速旋转区域可获得大功率发电特性、并可提高可靠性的旋转电机及搭载该旋转电机的车辆。
本发明的基本特征在于可通过机械式的控制即由转子剖分对有效磁通的控制，在低速旋转区域获得大转矩特性，在高速旋转区域获得大功率发电特性。具体地说，将沿旋转方向交替地配置极性不同的磁场用磁铁的转子沿轴向剖分，使剖分转子一方相应于转子的转矩方向改变与剖分转子另一方的相对轴向位置，或相应于转子的转矩方向相对于剖分转子另一方的磁极改变磁场用磁铁的合成磁极的相位。这样，本发明不在定子绕组中流过磁场削弱控制用电流也可进行磁场削弱控制。另外，本发明通过从轴向两侧由支承机构支承剖分转子一方，缓和剖分转子一方的轴向移动力。
下面，列举本发明的代表性的实施形式。
一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向改变上述剖分转子一方相对于上述剖分转子另一方的轴向位置。
一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，相对于上述剖分转子另一方的磁极改变上述磁场用磁铁的合成磁极的相位。
一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，一边错开配置于上述剖分转子一方的磁场用磁铁的磁极中心与配置于上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的磁极中心，一边改变上述剖分转子一方相对于上述剖分转子另一方的轴向位置。
一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，一边错开配置于上述剖分转子一方的磁场用磁铁的磁极中心与配置于上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的磁极中心，一边相对于上述剖分转子另一方的磁极改变上述磁场用磁铁的合成磁极的相位。
一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，在使配置于上述剖分转子一方的磁场用磁铁的磁极中心与配置于上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的磁极中心对齐的状态下，改变上述剖分转子一方相对于上述剖分转子另一方的轴向位置。
一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，在使配置于上述剖分转子一方的磁场用磁铁的磁极中心与配置于上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的磁极中心对齐的状态下，相对于上述剖分转子另一方的磁极改变上述磁场用磁铁的合成磁极的相位。
一种旋转电机，包括具有绕组的定子和具有磁场用磁铁的转子，上述磁场用磁铁由第1磁场用磁铁和第2磁场用磁铁构成，该第1磁场用磁铁沿旋转方向依次排列不同极性的磁极，该第2磁场用磁铁可相对该第1磁场用磁铁旋转并沿旋转方向依次排列不同极性的磁极，上述第1和第2磁场用磁铁与上述定子的磁极相向，并具有伴随着转子的转矩方向相对上述第1磁场用磁铁的磁极改变上述第1和第2磁场用磁铁的合成磁极的相位的机构，该随着转矩方向进行改变的机构具有由产生于转子的转矩方向与上述第1和第2磁场用磁铁间的磁作用力的平衡对齐上述第1和第2磁场用磁铁的相同磁极中心的装置及随着产生于转子的转矩方向变得相反而使上述第1和第2磁场用磁铁的磁极中心错位的装置，上述第2磁场用磁铁由支承机构从其轴向两侧支承。
一种车辆，具有驱动车轮的内燃机、进行电力的充放电的蓄电池、旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置；该旋转电机与上述内燃机的曲轴进行机械式连接，由上述蓄电池供给的电力驱动，从而驱动上述内燃机，另外，由上述内燃机的动力驱动而发电并将电力供给上述蓄电池，上述旋转电机为上述任一记载中的旋转电机。
一种车辆，具有进行电力的充放电的蓄电池、由蓄电池供给的电力驱动车轮的旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置，上述旋转电机为上述任一记载中的旋转电机。
一种车辆，具有驱动前轮或后轮的内燃机、进行电力的充放电的蓄电池、由上述蓄电池供给的电力进行驱动从而驱动前轮或后轮的旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置，上述旋转电机为上述任一记载中的旋转电机。
一种车辆，具有驱动车轮的内燃机、进行电力的充放电的蓄电池、旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置；该旋转电机与上述内燃机的曲轴进行机械式连接，并由上述蓄电池供给的电力进行驱动从而驱动上述内燃机，上述旋转电机为上述任一记载中的旋转电机。
一种车辆，具有驱动车轮的内燃机、进行电力的充放电的蓄电池、旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置；该旋转电机与上述内燃机的曲轴进行机械式连接，由上述内燃机的动力驱动而发电，并将电力供给上述蓄电池，上述旋转电机为上述任一记载中的旋转电机。
图2为用于说明
图1的永久磁铁型同步旋转电机的转子的动作的图，示出转子的磁极中心对齐的状态。
图3为用于说明图1的永久磁铁型同步旋转电机的转子动作的图，示出转子的磁极中心错位的状态。
图4为示出第1实施例的混合式车的驱动装置配置构成的平面图。
图5A、5B为示出图1的永久磁铁型同步旋转电机的有效磁通Φ和感应电动势E与旋转角速度ω的关系的特性图。
图6为示出图1的永久磁铁型同步旋转电机的电源系统构成的系统图。
图7为示出图1的永久磁铁型同步旋转电机的控制装置的构成的框图。
图8为示出第2实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成的断面图，示出电磁离合器的线圈未励磁的状态。
图9为示出第2实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成的断面图，示出电磁离合器的线圈励磁的状态。
图10为详细示出第2实施例的永久磁铁型同步旋转电机的转子构成的详细图。
图11为详细示出第3实施例的永久磁铁型同步旋转电机的转子构成的详细图。
图12为示出第4实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成的断面图。
图13为示出第5实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成的断面图。
图14为详细示出第6实施例的永久磁铁型同步旋转电机的转子构成的详细图。
图15为示出第7实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成的断面图。
图16为示出第8实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成的断面图。
图17为示出第9实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成的断面图。
图18为用于说明永久磁铁型同步旋转电机的构成的图。
图19为示出第10实施例的汽车的驱动装置配置构成的平面图。
图20A、20B为示出第11实施例的4轮驱动装置的配置构成的平面图。
图21A、21B为示出第12实施例的电动汽车的驱动装置配置构成的平面图。
另一方面，传动装置3和永久磁铁型同步旋转电机2的连接采用通过作为动力接合隔离手段的离合器或通过利用流体的液力联轴节或液力变矩器连接图示中省略的传动装置3的输入轴和永久磁铁型同步旋转电机2的回转轴的方法。这样，通过在传动装置3与永久磁铁型同步旋转电机2的连接中采用离合器或液力联轴节或液力变矩器，可由永久磁铁型同步旋转电机2使发动机1起动，并可在发动机1起动后将发动机1的驱动力或发动机1的驱动力和永久磁铁型同步旋转电机2的驱动力传递到传动装置3的输入轴。
永久磁铁型同步旋转电机2可作为电动机或发电机工作。在永久磁铁型同步旋转电机2通过电力变换器4电连接作为蓄电手段的蓄电池5。
在将永久磁铁型同步旋转电机2用作电动机的场合，由电力变换器4(逆变器)将蓄电池5输出的直流电变换成交流电，供给到永久磁铁型同步旋转电机2，从而驱动永久磁铁型同步旋转电机2。永久磁铁型同步旋转电机2的驱动力用作发动机1的起动或助推用。另一方面，在将永久磁铁型同步旋转电机2用作发电机的场合，由电力变换器4(变流器)将永久磁铁型同步旋转电机2发电产生的交流电变换成直流电，供给蓄电池5进行蓄电。
图1-图3示出永久磁铁型同步旋转电机2的构成。图1中的符号13为外壳(也称定子架)。在外壳13的内部沿周向形成多个沿轴向连通并流过冷却水的冷却水通道12。在外壳13的内周侧由热装或压入等连接定子铁心10。在定子铁心10的内周部沿周向形成多个沿轴向连续并朝定子铁心10内周表面开口的槽。在定子铁心10的槽中安装电枢绕组11(也称定子绕组或一次绕组)。
在定子铁心10的内周侧隔开空隙可回转地设置转子20。转子20形成沿轴向剖分的构成，具有第1转子20A和第2转子20B，该第1转子20A固定于轴22(也称旋转轴)，该第2转子20B可相对轴22分离，并且可由规定方向的转矩作用一边在轴22上回转一边朝轴向移动。在第1转子20A嵌入多个永久磁铁21A，并使磁铁的极性沿旋转方向依次不同。在第2转子20B嵌入多个永久磁铁21B，并使磁铁的极性沿旋转方向依次不同。
第1转子20A、第2转子20B、及轴22属于螺栓-螺母关系。即，第1转子20A相当于螺栓的头部61，轴22相当于螺栓的螺纹部60，第2转子20B相当于螺母62。为此，第1转子20A固定于轴22，在轴22外周面形成阳螺纹，在第2转子20B的内周形成阴螺纹，该阴螺纹与形成于轴22的阳螺纹螺旋接合。因此，在某一旋转方向上，第2转子20B一边在轴22上旋转一边朝轴向一方侧移动，离开第1转子20A。当旋转方向相反时，第2转子20B一边在轴22上旋转一边朝轴向另一方侧移动，与第1转子20A成为一体。
在轴22的一方侧(第2转子20B的与第1转子20A侧的相反侧)，设置作为移动防止构件的环状止动件24，以防止第2转子20B从定子铁心10的轴向端部伸出规定位移以上。在止动件24的侧部设置作为止动件24的驱动机构并作为伺服机构的致动器25。由致动器25的驱动可在轴22上使止动件24沿轴向两方向移动。按照本实施例，由止动件24和致动器25构成的转子位置变动装置使第2转子20B相对第1转子20A的轴向位置改变到任意位置，相应于转矩的方向将由永久磁铁21A和永久磁铁21B决定的有效磁通量控制为任意的量。
下面，说明本实施例的永久磁铁型同步旋转电机2的动作。在作为磁场用将永久磁铁设置于转子的旋转电机中，如作为电动机工作的场合和作为发电机工作的场合的转子回转方向相同，则转子受到的转矩的方向在作为电动机工作的场合和作为发电机工作的场合相反。另外，如转子的回转方向相反，则转矩的方向也相反。在本实施例中，基本上利用上述原理，在发动机1起动时等旋转电机的低速旋转区域和在旋转电机的高速旋转区域，分别作为电动机和发电机如以下那样工作。
在发动机1的起动时等旋转电机的低速旋转区域中，如图2所示那样，由在转子20产生的转矩方向和永久磁铁21A、21B间的磁作用力的平衡使第1转子20A和第2转子20B接近，作为一个转子，使相同极性的永久磁铁21A、21B相互沿轴向排列，则永久磁铁21A、21B的磁极中心对齐。即，拧紧螺母62，使螺栓的头部61与螺母62接近。这样，可使永久磁铁的有效磁通量为最大。结果，可获得大转矩特性。
在旋转电机的高速旋转区域，与上述电动机的场合同样，旋转方向相同，但转子受到的转矩的方向与上述电动机相反。为此，如图3所示，由产生于转子20、并且与作为电动机动作时相反的转矩的方向使第2转子20B在轴22上旋转，同时朝轴向一方侧(与第1转子20A侧的相反侧)移动，从第1转子20A离开，错开永久磁铁21A、21B的磁极中心。即，拧松螺母62，使螺母62从头部61离开。这样，可减少永久磁铁形成的有效磁通量。换言之，具有磁场削弱效果。结果，可获得大功率发电特性。
下面，根据图5A、5B说明相对于旋转区域如上述那样使旋转电机动作的情况。图5A、5B示出永久磁铁型同步旋转电机2的有效磁通Φ和感应电动势E相对旋转角速度ω的特性。永久磁铁型同步旋转电机2的感应电动势E由配置于转子20的永久磁铁21A、21B产生的有效磁通Φ和旋转角速度ω决定。为此，例如由图5A可知，如设配置于转子20的永久磁铁21A、21B产生的有效磁通Φ1为一定，使旋转角速度ω(转速)上升，则感应电动势E1与旋转角速度ω成比例地上升。
当在永久磁铁型同步旋转电机2的整个旋转区域以同一有效磁通作为电动机或发电机工作时，例如在发动机1的高速旋转区域以有效磁通Φ1作为发电机工作时，永久磁铁型同步旋转电机2的感应电动势E1上升到蓄电池5的充电电压以上。为了防止用于储存该电力的蓄电池5破损，需要将永久磁铁型同步旋转电机2的感应电动势抑制在蓄电池5的充电电压以下。为此，当将永久磁铁型同步旋转电机2用作发电机时，需要在某一转速以上的区域进行减少永久磁铁21A、21B产生的磁通的控制，即磁场削弱控制。
因此，在本实施例中，如图5A所示那样，以旋转角速度ω1为边界，在其低速旋转区域侧，将永久磁铁21A、21B产生的有效磁通作为有效磁通Φ1，产生感应电动势E1。在旋转角速度ω1的高速旋转区域侧，将永久磁铁21A、21B产生的有效磁通切换为有效磁通Φ2，产生比感应电动势E1低的感应电动势E2。这样，可限制永久磁铁型同步旋转电机2的感应电动势的最大值，所以，即使在发动机1的高速旋转区域将永久磁铁型同步旋转电机2用作发电机，也可在蓄电池1额定充电电压以下的电压对蓄电池1进行充电。因此，在本实施例中，可防止蓄电池1的破损。
现有的旋转电机在定子绕组中流过磁场削弱控制用电流进行磁场削弱控制。然而，磁场削弱控制用电流需要与感应电动势相对应地上升，而该感应电动势与旋转角速度成比例地上升，所以，定子绕组中产生的热增加。为此，对于现有旋转电机，在高速旋转区域可能出现旋转电机的效率下降、超过冷却性能的发热导致的永久磁铁的去磁等。对于本实施例的永久磁铁型同步旋转电机2，由于通过机械式的控制即转子剖分的有效磁通控制进行磁场削弱控制，所以，不会出现上述问题。另外，按照本实施例，由机械式的磁场削弱控制抑制高速旋转区域的感应电动势，不会降低永久磁铁型同步旋转电机2的效率，所以，可在效率良好的状态下在高速旋转区域将永久磁铁型同步旋转电机2用于助推。
另外，在本实施例中，如图5B所示，通过相应于旋转角速度ω使有效磁通Φ进行更为细致的变化，即由致动器25使止动件24朝与第2转子20B侧相反侧缓慢移动，从而使第2转子20B缓慢离开第1转子20A，从而可在旋转角速度ω1的高速旋转区域侧将永久磁铁型同步旋转电机2产生的感应电动势E大体保持一定。
图6示出永久磁铁型同步旋转电机2的电源系统图。与发动机1以机械方式连接的永久磁铁型同步旋转电机2的3相交流端子与电力变换器4(变流器和逆变器)进行电连接。电力变换器4的直流侧端子与蓄电池5(高电压用)和高电压系统进行电连接。在高电压系统通过DC-DC变流器30电连接将前照灯、音响装置等作为负荷设备的低电压系统和蓄电池9(低电压用)。这样，从高电压系统向低电压系统和蓄电池9供给已由DC-DC变流器30降压的电力。
在车辆中设置控制永久磁铁型同步旋转电机2的驱动的控制装置31和控制发动机1的节气门开度、燃料喷射量等的发动机控制装置32。控制装置31和发动机控制装置32之间可由通信线或通信网(例如车内的局域网或无线等通信手段进行信息传输或直接存储器存取。通过这样在控制装置31与发动机控制装置32间进行信息通信，可协调控制永久磁铁型同步旋转电机2和发动机1。
图7示出控制装置31的构成。控制装置31根据车辆的运行状态进行永久磁铁型同步旋转电机2的运行模式切换即驱动模式(电动机)与发电模式(发电机)的切换及控制永久磁铁型同步旋转电机2的驱动所需的指令生成。永久磁铁型同步旋转电机2的驱动控制通过根据从控制装置31输出的指令值控制电力变换器4(逆变器104)而进行。永久磁铁型同步旋转电机2的运行模式的切换根据车辆的运行状态控制用于驱动止动件24的致动器25而进行。
作为发动机控制装置32和安装于车载设备的各种传感器的信息，将例如蓄电池残余量、车辆的运行模式、节气门开度等状态信号输入到控制装置31。另外，将永久磁铁型同步旋转电机2的转速和磁极位置及供给到永久磁铁型同步旋转电机2的三相交流电流中的二相反馈到控制装置31。
将发动机控制装置32和安装于车载机器的各种传感器输出的信号和从速度变换部108输出的角速度ω输入到运行判断部101。运行判断部101根据这些信号对永久磁铁型同步旋转电机2的运行动作进行判断，输出旋转座标系(d-q轴)的电流指令值iD＇、iQ＇。在这里，旋转座标系意味着将旋转电机的磁极位置(磁通)的方向作为d轴、将与d轴电直交的方向作为q轴构成的座标。因此，iD＇为d轴电流指令值，iQ＇为q轴电流指令值。速度变换部108根据检测装置106检测出的永久磁铁型同步旋转电机2的转速，输出角速度值ω。另外，也可使用发动机转速(在具有变速器的场合可为发动机转速的倍增值)等代替永久磁铁型同步旋转电机2的转速。
将速度变换部108输出的角速度ω、从运行判断部101输出的电流指令值iD＇、iQ＇、及座标变换部105输出的电流值iD、iQ输入到电流控制部102。电流控制部102根据角速度ω和电流指令值iD＇、iQ＇和电流值iD、iQ的差分输出电压指令值vD＇、vQ＇。座标变换部105根据从逆变器104输出的三相交流电流中的u相电流iU′、w相电流iW＇、从磁极位置变换部107输出的磁极位置，输出电流值iD、iQ。另外，磁极位置变换部107根据检测装置106检测出的永久磁铁型同步旋转电机2的磁极位置输出磁极位置。
将从磁极位置变换部107输出的磁极位置、从电流控制部102输出的电压指令值vD＇、vQ＇输出到三相变换部103。三相变换部103根据这些信号输出u相电压指令值vU、v相电压指令值vV、w相电压指令值vW。u相电压指令值vU、v相电压指令值vV、w相电压指令值vW输入到逆变器104，控制从逆变器104供给到永久磁铁型同步旋转电机2的电流。这样，对永久磁铁型同步旋转电机2进行驱动控制。
(实施例2)下面，根据图8-图10说明本发明的第2实施例。图8-图10示出本实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成。本实施例为上述第1实施例的改良例。与第1实施例一样，在沿周向形成多个轴向连通并流过冷却水的冷却水通道12的外壳13的内周侧连接定子铁心10，该定子铁心10在槽中安装电枢绕组11。在外壳13的两端部设置作为架构件的环状的端部托架49。在端部托架49的内周侧设置可旋转地支承轴22的轴承装置50。
可旋转地配置于定子铁心10内周侧的转子20与第1实施例一样，沿轴向剖分地构成，具有第1转子20A和第2转子20B，该第1转子20A固定于轴22，该第2转子20B可相对轴22分离，并且可由规定方向的转矩作用一边在轴22上回转一边朝轴向移动。在第1转子20A与图1同样地嵌入多个永久磁铁21A，并使磁铁的极性沿旋转方向依次不同。在第2转子20B嵌入多个永久磁铁21B，并使磁铁的极性沿旋转方向依次不同。第2转子20B的内径形成得比轴22的外径大。
在第2转子20B的内周面沿周向形成多个沿轴向连续的凹凸。在第2转子20B的内周侧嵌入套筒41，该套筒41沿外周面的周向形成多个与上述第2转子20B的内周面形状(凹凸)一致的形状(即沿轴向连续的凹凸)。在套筒41的内周侧固定螺母构件23B，该螺母构件23B在内周面形成阴螺纹。螺母构件23B与形成于轴22外周面的螺纹部23A(阳螺纹)螺旋接合即处于螺栓-螺母的关系。在套筒41的内周侧的螺母构件23B两侧以规定间隔固定安装环状的支承构件40A、40B。支承构件40A、40B用于对第2转子20B的旋转运动和轴向往复运行进行导向。在支承构件40A与第1转子20A之间设置作为弹性体的弹簧48。弹簧48朝与第1转子20A相反一侧对第2转子20B产生推力。
在第2转子20B的内周侧设置套筒41，是为了防止在轴22或螺母构件23B等产生电蚀等。即，如在第2转子20B内周侧与轴22之间稍产生一点间隙，则随着旋转在第2转子20B内周侧与轴22之间产生交链磁通变化，出现电蚀等问题。为此，在本实施例中，在第2转子20B的内周侧设置套筒41，对第2转子20B内周侧与轴22之间进行磁屏蔽。因此，套筒11由电阻率比铁高的非磁性体形成。另外，套筒11还具有电绝缘效果。
在第2转子20B的侧方(与第1转子20A相反侧)设置可朝轴向移动的止动件24。在止动件24的侧方(与第2转子20B相反一侧)设置作为驱动止动件24的伺服机构的电磁离合器44。
止动件24由构成电磁离合器44的环状可动铁心24a、设于可动铁心24a内周侧与轴22外周侧之间的支承构件47、及设于可动铁心24a侧面(第2转子20B侧)与第2转子20B侧面(可动铁心24a侧)之间的支承构件42构成。支承构件47为可将可动铁心24a支承于旋转的轴22上的径向轴承，并且可使可动铁心24a朝轴向移动。支承构件42为可将可动铁心24a支承于旋转的第2转子20B侧面的推力轴承，以机械方式连接第2转子20B和可动铁心24a。
电磁离合器44包括兼用作止动件24的构件的可动铁心24a、设于第2转子20B侧的端部托架49侧面的环状轭铁44、安装于轭铁44的环状槽的线圈46、及设于第2转子20B侧的端部托架49侧面与可动铁心24a之间并处于轭铁44内方的弹簧45。轭铁44和线圈46为电磁力发生部，当在线圈46流过电流使线圈46励磁时，产生吸引的电磁力。由该吸引的电磁力可使可动铁心24a朝与第2转子20B侧相反侧移动。作为弹性体的弹簧45朝第2转子20B侧对可动铁心24a产生推力。这样，可使可动铁心24a朝第2转子20B侧移动。此时，线圈46的励磁被停止。在本实施例中，说明了将电磁离合器44安装于端部托架49的场合，但也可将其安装到搭载永久磁铁型同步旋转电机的例如车辆的车身一部分，省略端部托架49。
对于如以上那样构成的本实施例的永久磁铁型同步旋转电机，也与实施例1同样，在旋转电机的低速旋转区域作为电动机工作，在旋转电机的高速旋转区域作为发电机工作。
在旋转电机的低速旋转区域，由在转子20产生的转矩方向和永久磁铁21A、21B间的磁作用力的平衡使第1转子20A和第2转子20B接近，作为一个转子，使相同极性的永久磁铁21A、21B相互沿轴向排列，则永久磁铁21A、21B的磁极中心对齐。这样，可使永久磁铁的有效磁通量为最大。结果，可获得大转矩特性。图8示出该状态。
此时，线圈46为无励磁状态，所以，可动铁心24a受到第2转子20B的拉力作用，并且由弹簧45的作用推向第2转子20B侧，与第2转子20B一起移动，所以，可保持第2转子20B相对第1转子20A的轴向位置。另外，由于通过弹簧48的作用以一定的力朝可动铁心24a侧推第2转子20B，所以，可抑制第2转子20B朝第1转子20A侧移动的势头，防止第2转子20B对第1转子20A的冲击等导致的设备破损。另外，由于通过弹簧48的作用以一定的力朝可动铁心24a侧推第2转子20B，所以，可提高支承构件42的作为推力轴承的功能。另外，也可通过控制线圈46的励磁，抑制第2转子20B朝第1转子20A侧移动的势头。另外，通过控制线圈46的励磁使第2转子20B的轴向移动力平衡，可任意改变第2转子20B相对第1转子20A的轴向位置。
在旋转电机的高速旋转区域，与上述电动机的场合同样，旋转方向相同，但转子受到的转矩的方向与上述电动机相反。为此，由产生于转子20、并与作为电动机动作时相反的转矩方向使第2转子20B在轴22上旋转，同时朝与第1转子20A侧相反侧移动，从第1转子20A离开，错开永久磁铁21A、21B的磁极中心。这样，可减少永久磁铁形成的有效磁通量。换言之，具有磁场削弱效果。结果，可获得大功率发电特性。
此时，线圈46为励磁状态，所以，可动铁心24a由电磁力发生部产生的电磁力吸引到与第2转子20B侧的相反侧，并受到第2转子20B的推力，与第2转子20B一起移动，所以，可保持第2转子20B相对第1转子20A的轴向位置。另外，由于通过弹簧45的作用和线圈46的励磁控制以一定的力朝第1转子20A侧推第2转子20B，所以，可抑制第2转子20B朝与第1转子20A侧相反一侧的移动势头，从而可防止第2转子20B朝与第1转子20A侧相反侧的过度移动导致的螺母构件23B的螺纹和轴22的螺纹部23A的破损等。另外，由于通过弹簧48的作用以一定的力朝可动铁心24a侧推第2转子20B，所以，可提高支承构件42的作为推力轴承的功能。通过控制线圈46的励磁，使第2转子20B的朝轴向移动的力平衡，可任意改变第2转子20B相对第1转子20A的轴向位置。
在第2实施例中，为了驱动止动件24，使用了电磁离合器44，但也可通过使用液压致动器、旋转装置与滚珠丝杠等的组合形成的直线驱动装置、线性马达等，更为细致地控制止动件24的轴向位置。
(实施例3)下面根据图11说明本发明的第3实施例。图11示出本实施例的永久磁铁型同步旋转电机的转子的构成。本实施例为上述第2实施例的改良例。以下仅对与前例不同的部分进行说明。
在本实施例中，将具有比轴22外径大的内径的凹部53设置在第1转子20A侧面(第2转子20B侧的侧面)的内周部。在与第1转子20A的凹部53相向的第2转子20B的侧面设置凸起部54(凸部)，该凸起部54的内径比凹部53的内径小，比轴22的外径大，而且与轴22的转子20B的内径相同。这样的构成在第2转子20B的轴向厚度小的场合有效。
在第2转子20B内周侧和凸起部54内周侧嵌入套筒41。套筒41与前例相同。套筒41可与凸起部54成一体，也可与第2转子20B成一体。在套筒41的内周侧，与前例同样地固定螺母构件23B和支承构件40A、40B。
在第1转子20A与支承构件40A之间，设置作为弹性体的弹簧48。弹簧48用于朝与第1转子20A侧相反一侧对第2转子20B产生推力。在支承构件40B与止动件24之间设置作为弹性体的弹簧51。弹簧51用于朝第1转子20A侧对第2转子20B施加推力。按照本实施例，可由弹簧48、51的作用抑制第2转子20B移动的势头，同时可辅助第2转子20B的轴向移动，并且可保持第2转子20B相对第1转子20A的轴向位置。
(实施例4)下面根据图12说明本发明的第4实施例。图12示出本实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成。本实施例为上述第2实施例的变形例，由电磁离合器44和止动件24组成的转子位置变动装置的构成与上述实施例2不同。本图示出线圈46励磁的状态。
在本实施例中，兼用作止动件24的构件的可动铁心24a的断面形状是L字状。在可动铁心24a的第2转子20B侧配置电磁离合器44的轭铁44a。轭铁44a通过安装于其外周侧的臂52支承于端部托架49。在构成推力轴承的支承构件42与可动铁心24a之间设置弹簧45。弹簧45用于朝与第2转子20B侧相反侧对可动铁心24a产生推力。在本实施例中，说明了将电磁离合器44安装于端部托架49的场合，但也可将其安装到搭载永久磁铁型同步旋转电机的例如车辆的车身一部分，省略端部托架49。
按照本实施例，当使永久磁铁型同步旋转电机在旋转电机的低速旋转区域作为电动机工作时，使线圈46励磁，产生吸引力，由该吸引力和第2转子20B的拉力使可动铁心24a朝第2转子20B侧移动。当使永久磁铁型同步旋转电机在旋转电机的高速旋转区域作为发电机工作时，停止线圈46的励磁，由弹簧45的作用和第2转子20B的推力，使可动铁心24a朝与第2转子20B相反侧移动。即，本实施例的转子位置变动装置的作用与第2实施例相反，但达到的效果与第2实施例相同。
在本实施例中，为了驱动止动件24，使用了电磁离合器44，但也可通过使用液压致动器、旋转装置与滚珠丝杠等的组合形成的直线驱动装置、线性电动机等，更为细致地控制止动件24的轴向位置。
(实施例5)
下面根据图13说明本发明的第5实施例。图13示出本实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成。本实施例为上述第3实施例的变形例，为没有设于第1转子20A的凹部和设于第2转子20B的凸起部的场合的例。在本实施例中，也可由弹簧48、51的作用抑制第2转子20B移动的势头，同时可辅助第2转子20B的轴向移动，并且可保持第2转子20B相对第1转子20A的轴向位置。
(实施例6)下面根据图14说明本发明的第6实施例。图14示出本实施例的永久磁铁型同步旋转电机的转子的构成。本实施例为上述第1实施例的变形例，在第2转子20B设置旋转角θ量变动的机构，代替形成于第2转子20B的螺纹部23B和形成于轴22的螺纹部23A组成的机构。
为此，在第2转子20B内周侧的相向的2个部位形成沿轴向连续的凸部。在轴22外周侧的与第2转子20B的凸部相向的部分形成沿轴向连续的凹部。轴22的凹部的周向宽度形成得比第2转子20B的凸部的周向宽度大。这样，可相对第1转子20A使第2转子20B旋转规定的旋转角θ量，并且，可使其在轴22上沿轴向移动。在第2转子20B的凸部周向两侧与轴22的凹部之间设置弹簧26和缓冲器27。通过设置该弹簧26和缓冲器27，可缓和第2转子20B的凸部与轴22的凹部的突然的冲击。
(实施例7)下面根据图15说明本发明的第7实施例。图15示出本实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成。本实施例为上述第5实施例的变形例，其中，使定子铁心10与第1转子20A之间的空隙尺寸Gap1不同于定子铁心10与第2转子20B之间的空隙尺寸Gap2。
第1转子20A固定于轴22，而第2转子20B可相对轴22分离。因此，在第2转子20B与轴22之间稍有机械性尺寸的间隙，如在第2转子20B施加大的转矩或离心力等，则第2转子20B可能出现偏心。为此，在本实施例中，将Gap2设定得比Gap1大，防止第2转子20B与定子铁心10的接触导致的机械性破损。
(实施例8)
下面根据图16说明本发明的第8实施例。图16示出本实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成。本实施例为上述第5实施例的变形例，其中，由位移测定器64检测第2转子20B相对第1转子20A的轴向位移L1、L2，将该检测出的位移L1、L2反馈到用于控制永久磁铁型同步旋转电机的驱动的控制装置。即，在第2转子20B相对第1转子20A错开旋转角θ的场合，需要根据该错位对供给到永久磁铁型同步旋转电机的电流的提前角进行修正。另外，第2转子20B的旋转角θ与轴向位移量ΔL具有比例关系。
因此，在本实施例中，将第2转子20B相对第1转子20A的轴向位移L1、L2反馈到控制装置，求出位移差ΔL，根据该求出的位移差ΔL修正从电力变换器供给到永久磁铁型同步旋转电机的电流的提前角。按照本实施例，通过修正该电流的提前角，可对永久磁铁型同步旋转电机进行最佳控制。
(实施例9)下面根据图17说明本发明的第9实施例。图17示出本实施例的永久磁铁型同步旋转电机的构成。本实施例与前面所有的实施例不同，第2转子20B仅朝轴向相对第1转子20A移动。
为此，在第2转子20B内周侧的相向的2个部位，形成沿轴向连续的凸部63B。在轴22外周侧的与第2转子20B的凸部63B相向的部位，形成沿轴向连续并与第2转子20B的凸部配合的凹状的槽63A。这样，轴22的槽63A对第2转子20B的凸部63B进行引导，第2转子20B在轴22上沿轴向移动。在第1转子20A与第2转子20B之间设置作为弹性体的弹簧48。弹簧48朝与第1转子20A侧相反侧对第2转子20B产生推力。在第2转子20B的与第1转子20A相反侧设置由止动件24致动器25构成的转子位置变动装置，该致动器25作为伺服机构和止动件24的驱动机构。
在这样构成的本实施例中，相应于永久磁铁型同步旋转电机的转速(角速度)驱动致动器25，改变止动件24的轴向位置，使第2转子20B沿轴向移动，可使永久磁铁型同步旋转电机作为电动机或发电机工作。即，在旋转电机的低速旋转区域，通过使止动件24朝第2转子20B侧移动，可逆着弹簧48的力使第2转子20B朝第1转子20A侧移动。这样，可使第1转子20A和第2转子20B接近，从而使永久磁铁型同步旋转电机作为电动机工作。另外，在旋转电机的高速旋转区域，通过使止动件24朝与第2转子20B侧相反侧移动，可由弹簧48的力使第2转子20B朝与第1转子20A侧相反侧移动。这样，可使第2转子20B离开第1转子20A，从而使永久磁铁型同步旋转电机作为发电机工作。
在以上说明中，以4极机的场合为例说明了永久磁铁型同步旋转电机，但以上实施例的构成不限于4极机，也可为2极机或6极机或图18所示那样的8极机，也可适用于更多极数机。作为将永久磁铁安装到转子的方法，可如图18所示那样，采用在转子内部安装永久磁铁的所谓嵌入磁铁型和在转子表面安装永久磁铁的所谓表面磁铁型中的任何一种。
(实施例10)下面根据图19说明本发明的第10实施例。图19示出本实施例的汽车的驱动装置的配置构成。本实施例的驱动装置由金属皮带7连接发动机1的曲轴皮带轮6与连接于永久磁铁型同步旋转电机2的轴的皮带轮8。因此，发动机1和永久磁铁型同步旋转电机2并列地配置。另外，也可通过链或带齿皮带连接曲轴皮带轮6与皮带轮8。另外，也可通过齿轮代替曲轴皮带轮6和皮带轮8进行连接。作为永久磁铁型同步旋转电机2，使用上述第1实施例-第9实施例中的任一永久磁铁型同步旋转电机。图中的符号3为传动装置，符号5为通过电力变换器4与永久磁铁型同步旋转电机2进行电连接的蓄电池。电力变换器4具有逆变器和变流器双方的功能。另外，在本实施例的汽车的驱动装置中，也可以电动机单体或发电机单体或电动发电机的形式使用永久磁铁型同步旋转电机2。
按照本实施例，可由曲轴皮带轮6、金属皮带7、皮带轮8构成处于发动机1与永久磁铁型同步旋转电机2之间的具有速度比的变速机构。例如，通过使曲轴皮带轮6与皮带轮8的半径比为2∶1，可以发动机1的2倍的速度使永久磁铁型同步旋转电机2旋转，当发动机1起动时，可使永久磁铁型同步旋转电机2的转矩为发动机1起动时所需转矩的1/2。因此，可使永久磁铁型同步旋转电机2小型化。
(实施例11)下面根据图20A、20B说明本发明的第11实施例。图20A、20B示出本实施例的汽车的驱动装置的配置构成。本实施例为上述第10实施例的变形例，除了连接于发动机1的永久磁铁型同步旋转电机2A之外，还如图20A、20B所示那样，搭载上述第1-第9实施例中的任一永久磁铁型同步旋转电机，用于驱动与由发动机1驱动的车轮(前轮)不同的车轮(后轮)。即，示出适用于4轮驱动车的例。
在图20A中，通过齿轮连接与由发动机1驱动的车轮(前轮)不同的车轮(后轮)的驱动轴和永久磁铁型同步旋转电机2B。也可组合永久磁铁型同步旋转电机2B和差动齿轮，一起驱动发动机1和永久磁铁型同步旋转电机2A。在图20B中，在与由发动机1驱动的车轮(前轮)不同的各车轮(后轮)连接永久磁铁型同步旋转电机2C，即作为轮内电动机型进行连接。
(实施例12)下面根据图21A、21B说明本发明的第12实施例。图21A、21B示出本实施例的电动汽车的驱动装置的配置构成。电动汽车为没有搭载内燃机的车辆，由通过电力变换器4供给的蓄电池5的电力驱动永久磁铁型同步旋转电机2，驱动车辆。图21A为通过传动装置3连接永久磁铁型同步旋转电机2与后轮的驱动轴的场合。图21B为直接连接永久磁铁型同步旋转电机2与前轮的驱动轴的场合。
按照以上说明的本发明，可提供在低速旋转区域能够获得大转矩特性、在高速旋转区域能够获得大功率特性的旋转电机及搭载该旋转电机的车辆。
权利要求
1.一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向改变上述剖分转子一方相对于上述剖分转子另一方的轴向位置。
2.一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，相对于上述剖分转子另一方的磁极改变上述磁场用磁铁的合成磁极的相位。
3.一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，一边错开配置于上述剖分转子一方的磁场用磁铁的磁极中心与配置于上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的磁极中心，一边改变上述剖分转子一方相对于上述剖分转子另一方的轴向位置。
4.一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，一边错开配置于上述剖分转子一方的磁场用磁铁的磁极中心与配置于上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的磁极中心，一边相对于上述剖分转子另一方的磁极改变上述磁场用磁铁的合成磁极的相位。
5.一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，在使配置于上述剖分转子一方的磁场用磁铁的磁极中心与配置于上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的磁极中心对齐的状态下，改变上述剖分转子一方相对于上述剖分转子另一方的轴向位置。
6.一种旋转电机，具有定子和转子，该定子具有绕组，该转子隔开空隙可旋转地配置于该定子的内周侧，并沿轴向剖分，还分别沿旋转方向交替配置极性不同的磁场用磁铁，上述剖分转子的一方具有变动机构并由支承机构从其轴向两侧支承，该变动机构可相应于转子的转矩方向，在使配置于上述剖分转子一方的磁场用磁铁的磁极中心与配置于上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的磁极中心对齐的状态下，相对于上述剖分转子另一方的磁极改变上述磁场用磁铁的合成磁极的相位。
7.如权利要求1所述的旋转电机，其中，上述剖分转子的另一方固定于旋转轴，上述剖分转子的一方可从旋转轴分离，并且，在上述剖分转子的一方的内周侧和旋转轴设置螺纹部并相互连接。
8.如权利要求1所述的旋转电机，其中，上述剖分转子的另一方固定于旋转轴，上述剖分转子的一方可从旋转轴分离，并且，在上述剖分转子的一方的内周侧隔着非磁性构件设置内周侧具有螺纹部的环状构件，在旋转轴设置螺纹部，使其相互连接。
9.如权利要求1所述的旋转电机，其中，上述剖分转子的另一方固定于旋转轴，上述剖分转子的一方可从旋转轴分离，并且，在上述剖分转子的一方的侧面设置筒状的凸起部，在上述剖分转子的另一方的侧面设置可收容上述凸起部的凹部，在包含上述凸起部内周侧的上述剖分转子一方的内周侧，隔着非磁性构件设置内周侧具有螺纹部的环状构件，在旋转轴设置螺纹部，使其相互连接。
10.如权利要求8所述的旋转电机，其中，上述非磁性构件为电阻率比铁高的管状构件。
11.如权利要求8所述的旋转电机，其中，上述环状构件为螺母。
12.如权利要求1所述的旋转电机，其中，上述支承机构包括设于上述剖分转子间的弹性体和设于上述剖分转子一方的侧方的弹性体。
13.如权利要求1所述的旋转电机，其中，上述支承机构包括设于上述剖分转子间的弹性体、设于上述剖分转子一方的侧方并可沿旋转轴朝轴向移动的支承构件、及可沿旋转轴使该支承构件沿轴向移动的驱动机构。
14.如权利要求13所述的旋转电机，其中，上述驱动机构为伺服机构。
15.如权利要求1所述的旋转电机，其中，上述支承机构用于缓和上述剖分转子一方的轴向移动力。
16.如权利要求1所述的旋转电机，其中，上述剖分转子的一方与上述定子之间的空隙尺寸不同于上述剖分转子的另一方与上述定子之间的空隙尺寸。
17.如权利要求1所述的旋转电机，其中，上述剖分转子的一方与上述定子之间的空隙尺寸比上述剖分转子的另一方与上述定子之间的空隙尺寸大。
18.如权利要求1所述的旋转电机，其中，相应于配置在上述剖分转子一方的磁场用磁铁与配置在上述剖分转子另一方的磁场用磁铁的合成磁极位置的错位，修正供给到上述绕组的电流的提前角。
19.如权利要求1所述的旋转电机，其中，检测出上述剖分转子的一方相对于上述剖分转子的另一方的轴向位移量，根据该位移量修正供给到上述线圈的电流的提前角。
20.一种旋转电机，包括具有绕组的定子和具有磁场用磁铁的转子，上述磁场用磁铁由第1磁场用磁铁和第2磁场用磁铁构成，该第1磁场用磁铁沿旋转方向依次排列不同极性的磁极，该第2磁场用磁铁可相对该第1磁场用磁铁旋转并沿旋转方向依次排列不同极性的磁极，上述第1和第2磁场用磁铁与上述定子的磁极相向，并具有伴随着转子的转矩方向相对上述第1磁场用磁铁的磁极改变上述第1和第2磁场用磁铁的合成磁极的相位的机构，该随着转矩方向进行改变的机构具有通过产生于转子的转矩方向与上述第1和第2磁场用磁铁间的磁作用力的平衡，对齐上述第1和第2磁场用磁铁的相同磁极中心的装置，和随着产生于转子的转矩方向变得相反而使上述第1和第2磁场用磁铁的磁极中心错位的装置，上述第2磁场用磁铁由支承机构从其轴向两侧支承。
21.一种车辆，具有驱动车轮的内燃机、进行电力的充放电的蓄电池、旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置；该旋转电机与上述内燃机的曲轴进行机械式连接，由上述蓄电池供给的电力驱动，从而驱动上述内燃机，另外，由上述内燃机的动力驱动而发电并将电力供给上述蓄电池，上述旋转电机为权利要求1-20中任一项所述的旋转电机。
22.如权利要求21所述的车辆，其中，在上述内燃机低速旋转时作为电动机工作，在上述内燃机高速旋转时作为发电机工作。
23.一种车辆，具有进行电力的充放电的蓄电池、由蓄电池供给的电力驱动车轮的旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置，上述旋转电机为权利要求1-20中任一项所述的旋转电机。
24.一种车辆，具有驱动前轮或后轮的内燃机、进行电力的充放电的蓄电池、由上述蓄电池供给的电力进行驱动从而驱动前轮或后轮的旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置，上述旋转电机为权利要求1-20中任一项所述的旋转电机。
25.一种车辆，具有驱动车轮的内燃机、进行电力的充放电的蓄电池、旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置；该旋转电机与上述内燃机的曲轴进行机械式连接，并由上述蓄电池供给的电力进行驱动从而驱动上述内燃机，上述旋转电机为权利要求1-20中任一项所述的旋转电机。
26.一种车辆，具有驱动车轮的内燃机、进行电力的充放电的蓄电池、旋转电机、控制该旋转电机的电力变换器、及控制该电力变换器的控制装置；该旋转电机与上述内燃机的曲轴进行机械式连接，由上述内燃机的动力驱动而发电，并将电力供给上述蓄电池，上述旋转电机为权利要求1-20中任一项所述的旋转电机。
全文摘要
一种旋转电机及搭载该旋转电机的车辆,在该旋转电机中,将沿旋转方向交替地配置极性不同的磁场用磁铁的转子沿轴向剖分,使剖分转子一方相应于转子的转矩方向改变与剖分转子另一方的相对轴向位置,或相应于转子的转矩方向相对于剖分转子另一方的磁极改变磁场用磁铁的合成磁极的相位。
文档编号H02K29/06GK1373549SQ0112584
公开日2002年10月9日 申请日期2001年8月29日 优先权日2001年2月28日
发明者金弘中, 冈部悟 申请人:株式会社日立制作所