JP6485102B2

JP6485102B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6485102B2
Application number: JP2015031589A
Authority: JP
Inventors: 芳永久保田; 真大青山
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2035-02-20
Also published as: DE102016202477B4; CN105914977A; DE102016202477A1; US20160248307A1; CN105914977B; JP2016154406A; US10320271B2

Description

本発明は、ダブルロータタイプの回転電機に関する。

回転電機は、各種装置に動力源として搭載されている。例えば、車両の場合には単独に搭載されて電気自動車の動力源として機能し、あるいは、内燃機関と共に搭載されてハイブリッド車の動力源として機能する。

ハイブリッド車の場合、遊星歯車を介して内燃機関と組み合わせて発電用と駆動用とで活用するシステムに組み込まれる場合がある。この場合には、内燃機関と、発電用モータと、駆動用モータとのそれぞれを遊星歯車と共にシステム内に組み込むことから大型化してしまい小型車両に車載するのが難しい、という課題があった。

これに対して、特許文献１に記載の回転電機では、発電用モータ、駆動用モータ、および遊星歯車（ギヤ）として機能させることができるように複合化されている。

例えば、図９に示すように、特許文献１に記載の回転電機Ｍは、６極対の電機子コイルＣを有するステータＳ（極対数Ａ）と、１０極対の永久磁石ＰＭを有する第１のロータＲ１（極対数Ｐ）と、１６極の磁気導通路ＭＰを有する第２のロータＲ２（極数Ｈ（Ａ＋Ｐ））と、を備えている。この回転電機Ｍは、磁気変調原理を利用して、ステータＳと、第１のロータＲ１と、第２のロータＲ２との３つの要素を、遊星歯車におけるサンギヤ、リングギヤ、キャリアと同等に機能させることができる磁気変調型二軸モータになっている。

特開２０１３−１８８０６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機Ｍにあっては、永久磁石の磁力をマグネットトルクとして利用できるＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）のように、トルク密度を増大させて大出力を得るようにすることが難しく、そのトルクを補うためには残留磁束密度の大きな高価な永久磁石を用いる必要がある。

また、回転電機Ｍの構造では、永久磁石に鎖交する磁束の変動が大きいことから、保磁力が大きく、しかも、熱による減磁の少ない、例えば、Ｄｙ（ジスプロシウム）やＴｂ（テルビウム）のような高価な希土類を添加した高価な永久磁石、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石（ネオジウム磁石）を採用する必要がある。

そこで、本発明は、永久磁石を用いることなく、有効にマグネットトルクを利用可能な磁気変調二軸型の回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記磁束の通過により回転する第１のロータと、前記第１のロータを通過する前記磁束の磁路の途中に配置されて回転する第２のロータと、を備える回転電機であって、前記ステータの極対数をＡとし、前記第１のロータの極対数をＰとし、前記第２のロータの極数をＨとしたときに、Ｈ＝｜Ａ±Ｐ｜の関係を満たし、前記ステータは、前記電機子コイルが集中巻きされて、前記第２のロータは、周方向に所定の間隔を保持するように複数の軟磁性体が配置されて、前記第１のロータは、前記電機子コイルで発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる誘導コイル、および、前記誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルが巻かれて周方向に並列されている複数の突極部と、前記誘導コイルで発生する前記誘導電流を直流電流に整流する整流回路と、を備え、前記整流回路は、前記誘導電流の電流波形が重なる前記誘導コイル毎に分類された当該誘導コイルが整流素子の上流側に接続され、前記界磁コイルが前記整流素子の下流側に接続され、前記誘導コイルは、前記誘導電流の電流波形が重なる誘導コイルが直列接続された第１グループと、前記第１グループの誘導電流とは逆相関係となる誘導コイルが直列接続された第２グループと、前記第１グループの誘導電流と同相に変移する電流波形となる誘導コイルが直列接続された第３グループと、前記第３グループの誘導電流とは逆相関係となる誘導コイルが直列接続された第４グループとに分類され、前記第１グループと前記第２グループと前記第３グループと前記第４グループとが並列接続される。

このように本発明の一態様によれば、永久磁石を用いることなく、マグネットトルクを有効に利用可能な第１のロータと第２のロータとを備える磁気変調二軸型の回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その概略構成の１／２モデルを示す回転軸に直交する断面図である。図２は、その回転電機の概略全体構成を説明するモデルであり、その回転軸と平行な断面概念図である。図３は、インナロータに設置するダイオードの接続閉回路を示す結線図である。図４は、ステータ（回転磁束）と、アウタロータと、インナロータとの回転速度の関係を示す概念図である。図５は、図４におけるステータ（回転磁束）と、アウタロータと、インナロータとが同一の周波数で回転する場合の関係を示す概念図である。図６は、電機子コイルを分布巻きにしたときのトルク特性を示すグラフである。図７は、誘導コイルで鎖交する磁束に応じて発生する誘起電圧を示すグラフである。図８は、電機子コイルを集中巻きする本実施形態でのトルク特性を示すグラフである。図９は、実施形態と比較する異なる構造の磁気変調二軸型の回転電機を示す図であり、その概略全体構成を示す回転軸に直交する断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図９は本発明の一実施形態に係る回転電機を説明する図である。

図１および図２において、回転電機（ダブルロータ型モータ）１００は、概略円筒形状に形成されているステータ１０と、このステータ１０内に回転自在に収納されて軸心に一致するアウタ回転軸（単に回転軸ともいう）１０１が固定されているアウタロータ（第２のロータ）２０と、このアウタロータ２０内に回転自在に収納されて軸心に一致するインナ回転軸（単に回転軸ともいう）１０２が固定されているインナロータ（第１のロータ）３０と、を備えている。なお、図１は機械角３６０度のうちの１８０度分（１／２）の径方向断面図を図示している。

ステータ１０には、軸心に向かう径方向に延伸されている複数本のステータティース１２が周方向に並列されており、ステータティース１２は、後述するアウタロータ２０の磁路部材２１の外周面２１ａにエアギャップＧ１を介して内周面１２ａ側を対面させるように形成されている。

このステータ１０は、ステータティース１２の側面１２ｂ間をスロット１３として、巻線コイルを集中巻きした電機子コイル１４が設けられており、その電機子コイル１４に電力供給されて発生される磁束をアウタロータ２０やインナロータ３０に鎖交させることによりこれらロータ２０、３０をそれぞれ回転駆動させる。

アウタロータ２０は、透磁率の高い鋼材などの軟磁性体からなる角柱状の磁路部材２１が軸方向に延伸されて周方向に並列されており、磁路部材２１は、例えば、アウタロータ２０の軸方向の一端側に位置する円盤状の第１エンドプレート２５と、軸方向の他端側に位置する同心のリング形状に形成されている第２エンドプレート２６とに両端部を連結支持されて、所謂、カゴ型モータのロータ形態に形成されている。

すなわち、このアウタロータ２０は、磁束を良く通す磁路部材２１と、磁束を通さない空隙２２とが周方向に交互に位置しており、ステータ１０のステータティース１２の内周面１２ａと、後述するインナロータ３０のロータティース３２の外周面３２ａとに、磁路部材２１の径方向の両端面側の外周面２１ａと内周面２１ｂとが、周方向に空隙２２を間に挟んで連続して対面するように形成されている。

このアウタロータ２０は、ステータ１０の電機子コイル１４で発生し鎖交する磁束が磁路部材２１を効率よく通過する一方、空隙２２ではその磁束の通過を妨げる。このステータ１０の電機子コイル１４で発生する磁束は、アウタロータ２０の磁路部材２１を通過した後には、後述するように、インナロータ３０のロータティース３２の外周面３２ａに鎖交して、再度、アウタロータ２０の磁路部材２１を通過することにより、ステータ１０に戻る磁気回路を形成する。

このとき、アウタロータ２０は、ステータ１０に対して回転するので、磁束を通過させる磁路部材２１と磁束の通過を制限する空隙２２とが繰り返し切り換えられて磁気回路を形成する。

これにより、アウタロータ２０は、電機子コイル１４で発生し鎖交する磁束を変動させることができる。このため、このアウタロータ２０では、ステータ１０とインナロータ３０との間でエアギャップＧ１と後述のエアギャップＧ２とを介して通過する磁束がインナロータ３０側に鎖交する際に、後述する電磁力に応じた磁路を選択して経由することにより磁束密度に回転方向の偏りを発生させつつ、その磁路を最短にしようとする回転トルク（回転力）が発生して回転することができる。

インナロータ３０は、軸心から離隔する径方向に向かって延長されている複数本のロータティース（突極部）３２が周方向に並列されており、ロータティース３２は、アウタロータ２０の磁路部材２１の内周面２１ｂにエアギャップＧ２を介して外周面３２ａを対面させるように形成されている。

このロータティース３２は、隣接するロータティース３２の側面３２ｂ間をスロット３３として、アウタロータ２０側に誘導コイル３４が巻き付けられているとともに、軸心側に界磁コイル３５が巻き付けられている。

誘導コイル３４は、ロータティース３２毎にインナロータ３０の径方向に対して、後述する分類（グループ）毎に同一の周回巻線となる集中巻に形成されている。また、誘導コイル３４は、インナロータ３０の周方向に配列されており、その分類毎に直列接続されて両端部が並列接続されている。この誘導コイル３４は、鎖交する磁束密度が変化することにより誘導電流を発生（誘起）する。

界磁コイル３５は、ロータティース３２毎にインナロータ３０の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻きになるように形成されている。また、界磁コイル３５は、インナロータ３０の周方向に配列されており、そのコイルの両端部がインナロータ３０の外周側と軸心側とを接続して全直列接続されている。この界磁コイル３５は、界磁電流が供給されることにより励磁されて電磁石として機能する。

これら誘導コイル３４と界磁コイル３５は、図３に示すように、整流回路３６と共に閉回路３９を形成しており、閉回路３９は、後述の分類毎の誘導コイル３４で発生する交流の誘導電流を、整流回路３６を構成するダイオード（整流素子）３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄのそれぞれが一方向に整流して、界磁コイル３５に可能な限り平滑化された直流界磁電流として供給するように結線される回路構成となっている。

この回路構成により、誘導コイル３４で発生させた誘導電流を整流し、界磁電流として界磁コイル３５を励磁させることにより、ロータティース３２を電磁石として機能させることができる。この界磁コイル３５による電磁石は、その電磁力によって、ステータ１０の電機子コイル１４で発生してアウタロータ２０の磁路部材２１を通過する磁束の磁路中における磁束密度に偏りを生じさせることができる。また、この界磁コイル３５による電磁石は、インナロータ３０からアウタロータ２０に鎖交させる磁束を増量する（回転トルクを補助する）ことができる。

ここで、整流回路３６は、誘導コイル３４や界磁コイル３５を多極化させる場合でも、後述する誘導コイル３４の分類分けをしてダイオード３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄ毎に誘導コイル３４を直列接続することにより使用数を抑えている。

整流回路３６は、誘導コイル３４で発生する交流の誘導電流の電流波形が可能な限り重なるように分類して、ダイオード３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄ毎の上流側に誘導コイル３４を接続するようになっている。この誘導コイル３４は、誘導電流の交流波形がダイオード３７Ａ、３７Ｂとダイオード３７Ｃ、３７Ｄとでそれぞれ１８０度程度の位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路を形成している。

これにより、誘導コイル３４は、それぞれダイオード３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄの何れかに直列接続することにより、交流の誘導電流が整流されて平滑化されている直流電流を、直列接続されている界磁コイル３５に界磁電流として供給（通電）することができる。

この閉回路３９の界磁コイル３５は、隣接するロータティース３２毎の巻付方向を逆向きにされている。このことから、磁気回路の一部を構成するインナロータ３０の一つのロータティース３２は、鎖交する磁束をアウタロータ２０の磁路部材２１から誘導する方向となるＳ極を対面させる電磁石として機能するように磁化されている。また、隣接するもう一つのロータティース３２は、磁束をアウタロータ２０側に誘導する方向となるＮ極を対面させる電磁石として機能するように磁化されている。

ところで、インナロータ３０は、アウタロータ２０の回転によって変調されない成分を含むステータ１０からの非同期の磁束がロータティース３２の外周面３２ａに鎖交する。
すなわち、回転電機１００は、インナロータ３０の誘導コイル３４に鎖交する磁束に、アウタロータ２０により変調されずに（インナロータ３０の回転に同期せずに）変動する成分が含まれており、誘導コイル３４に誘導電流を発生させることができる。そして、その誘導電流をダイオード３７Ａ〜３７Ｄで整流して直流界磁電流とし、界磁コイル３５に通電することにより、ロータティース３２を電磁石として機能させて界磁磁束を発生させることができる。

これに加えて、インナロータ３０は、ステータ１０からアウタロータ２０を介して鎖交する磁束のうちで、そのアウタロータ２０の回転によって変調された磁束がインナロータ３０の回転と同期して鎖交する。これによって、回転電機１００は、トルクを発生することができる。

これらのことから、回転電機１００は、永久磁石を設けることなく、インナロータ３０をマグネットトルク（回転力）により回転させることができる。このインナロータ３０では、磁化方向（Ｎ極、Ｓ極）が周方向に向かって交互になるように並列されている電磁石としてロータティース３２を機能させることにより、アウタロータ２０との間で鎖交させる磁束を、円滑にスロット３３を迂回させて受け渡すことができる。

この回転電機１００は、ステータ１０に対してアウタロータ２０が回転し、また、その回転するアウタロータ２０（磁路部材２１）を経由する磁束が鎖交されるインナロータ３０がマグネットトルクにより回転されるので、アウタロータ２０を低速回転させつつインナロータ３０を高速回転させることができる。

また、この回転電機１００は、ステータ１０、アウタロータ２０およびインナロータ３０の構造に応じて上述の回転駆動に必要なトルクが発生するようになっている。具体的には、ステータ１０の電機子コイル１４の極対数をＡとし、アウタロータ２０の極数となる磁路部材２１の数をＨとし、インナロータ３０の極対数となるロータティース（電磁石）３２の極対数をＰとしたときに、次式（１）を成立させる組み合わせとなる。
Ｈ＝｜Ａ±Ｐ｜ ......（１）

この構造では、トルクを効果的に発生させてアウタロータ２０とインナロータ３０とをステータ１０に対して効率よく回転させることができる。例えば、本実施形態の回転電機１００では、ステータ１０の電機子コイル１４の極対数Ａ＝６、アウタロータ２０の磁路部材２１の極数Ｈ＝１６、および、インナロータ３０のロータティース３２の極対数Ｐ＝１０であり、上記の式（１）を満たしている。

そして、回転電機１００は、ステータ１０内にアウタロータ２０を回転自在に収容されて、さらに、そのアウタロータ２０内にインナロータ３０を回転自在に収容されており、アウタロータ２０およびインナロータ３０と一体に同軸回転するアウタ回転軸１０１とインナ回転軸１０２とがそれぞれ設けられている。

このため、回転電機１００は、図２に示すように、遊星歯車に対応して、ステータ１０がサンギヤに、アウタロータ２０がキャリアに、インナロータ３０がリングギヤとして機能することができるようになっており、磁気変調原理を利用して動力を伝達することのできる磁気変調型二軸モータの構造となっている。なお、本実施形態に係る回転電機１００は、磁路部材２１が形成されるアウタロータ２０がキャリアとして機能するよう構成される。

この構造により、回転電機１００は、図示することは省略するが、例えば、ハイブリッド自動車にエンジン（内燃機関）と共に駆動源として搭載する場合、アウタロータ２０のアウタ回転軸１０１とインナロータ３０のインナ回転軸１０２とをそれぞれ車両の動力伝達経路に直接連結して、ステータ１０の電機子コイル１４にインバータを介して車両のバッテリを接続することにより、駆動源と共に動力伝達機構としても機能させることができる。

ここで、回転電機１００は、ステータ１０の電機子コイル１４を集中巻きにしているが、その電機子コイル１４を分布巻きにすることも考えられる。電機子コイル１４を分布巻きにする場合には、高調波成分の少ない磁束を発生させて回転磁界としアウタロータ２０やインナロータ３０を回転駆動させることができる。

ところで、この回転電機１００は、上述のように、遊星歯車に対応する磁気変調型二軸モータの構造であることから、図４に示すように、ステータ１０（電機子コイル１４で生じる回転磁束）と、アウタロータ２０（磁路部材２１）と、インナロータ３０（誘導コイル３４）とのそれぞれの回転周波数を縦軸にしたときに直線的に連続する関係となる、所謂、共線図を作成することができる。例えば、インナロータ３０の回転速度（回転周波数）を３００Ｈｚに固定してステータ１０の回転磁界の回転周波数を変化させることができる。このとき、アウタロータ２０の回転を停止させるステータ１０の回転磁界は５００Ｈｚとなり、ステータ１０の回転磁界とインナロータ３０の回転速度の差分周波数８００Ｈｚで回転する。

なお、図４において、ステータ１０と、アウタロータ２０と、インナロータ３０とのそれぞれの回転周波数の縦軸の間隔は、上記の式（１）におけるアウタロータ２０（極数Ｈ＝１６）を中心としてステータ１０（極対数Ａ＝６）とインナロータ３０（極対数Ｐ＝１０）の逆数比となっている。

この構造では、図５に示すように、ステータ１０（回転磁界）、アウタロータ２０およびインナロータ３０のいずれもが３００Ｈｚで同一回転する場合には、ステータ１０の回転磁界とインナロータ３０との回転速度に差がない（アウタロータ２０との回転速度差もない）状況となる。

この状況において、ステータ１０の電機子コイル１４を分布巻きにする上述の構造（誘導コイル３４を２つに分類して整流回路３６を２つのダイオードで整流した誘導電流を界磁コイル３５に通電する構造）を採用すると、図６に示すように、この構造では、ステータ１０の回転磁界とインナロータ３０の回転速度の差分周波数が０となって、アウタロータ２０を独自回転させるトルクを得ることが出来ない。すなわち、このときには、ステータ１０での回転磁束とインナロータ３０（誘導コイル３４）との回転速度に差がないことから、誘導コイル３４に鎖交する磁束量に変化が生じない状況となり、界磁コイル３５に界磁電流を通電することが出来ずにマグネットトルクを利用することが出来ない。

これに対して、本実施形態の回転電機１００は、ステータ１０の電機子コイル１４を集中巻きにしていることから、アウタロータ２０（磁路部材２１）を介してインナロータ３０の誘導コイル３４には第２次空間高調波成分の重畳する磁束が鎖交する。ここで、第２次空間高調波成分とは、電機子コイル１４に供給する基本周波数（正弦波形）の交流駆動電流で発生する回転磁束に重畳する磁束であり、ステータ１０の基本回転磁束（基本周波数）の２倍の周波数で、基本周波数の回転磁界の逆向きに発生する磁束である。

これにより、誘導コイル３４では、ステータ１０の電機子コイル１４で発生する基本周波数の回転磁界と、その回転磁界に重畳する第２次空間高調波成分と、が鎖交して、それぞれのインナロータ３０の回転周波数に対する回転速度差に応じて変化する磁束により誘導電流が発生する。この場合、誘導コイル３４は、インナロータ３０に鎖交する磁束の回転周波数差に応じた誘導電流を発生する。これは、ステータ１０の電機子コイル１４に交流駆動電流を通電することにより生じる基本周波数の回転磁界と、この回転磁界に重畳する第２次空間高調波成分と、でインナロータ３０に対する回転周波数（回転速度）が異なるので、それぞれの回転周波数差に応じた誘導電流が発生するというものである。

したがって、図７に誘導コイル３４における誘導特性を誘起電圧で示すように、ステータ１０の電機子コイル１４で発生する基本周波数の回転磁界と、この回転磁界に重畳する第２次空間高調波成分と、でインナロータ３０に対する回転周波数（回転速度）の変化の傾向が異なっている。そして、ステータ１０の電機子コイル１４で発生する基本周波数の回転磁界と、この回転磁界に重畳する第２次空間高調波成分のそれぞれが異なるタイミングで同一速度（周波数）となり、そのときには誘導コイル３４に誘導電圧を発生させない。

このため、誘導コイル３４で発生する誘導電流波形は、ステータ１０の電機子コイル１４で発生する基本周波数の回転磁界に第２次空間高調波成分が重畳するタイミングが周方向に異なることから、誘導コイル３４ｉ１〜３４ｉ１０毎にずれが生じている。このことから、誘導コイル３４は、誘導電流波形の同相か逆相かのみで分類するだけでは合成したときに逆相となる範囲が大きくなって損失となってしまう位置関係が存在する。なお、図１には回転電機１００を２分割にして図示しており、誘導コイル３４ｉ１〜３４ｉ１０が図中の反時計回りに同様に繰り返されて配置されている。すなわち、言い換えると、インナロータ３０の周方向における配列パターンが同一になるように分類されて配置されている（図３を参照）。

そこで、本実施形態の回転電機１００は、整流回路３６の整流素子としてダイオード３７Ａ〜３７Ｄの４個を使用し、誘導コイル３４ｉ１〜３４ｉ１０のそれぞれで発生する誘導電流の交流波形ができるだけ重なるように、その誘導コイル３４ｉ１〜３４ｉ１０を分類して接続している。すなわち、誘導コイル３４で発生する誘導電流の電流値が、可能な限り、整流前の合成（合流）時に、所謂、相殺されて減少してしまわないように、誘導コイル３４ｉ１〜３４ｉ１０を分類している。また、言い換えると、閉回路３９は、同一分類内における誘導電流の電流波形で逆相となる範囲が最小となるように誘導コイル３４ｉ１〜３４ｉ１０をグループ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄに分類して、それぞれ直列接続している。

具体的には、誘導コイル３４ｉ１、３４ｉ３、３４ｉ４のグループ３４Ａと誘導コイル３４ｉ６、３４ｉ８、３４ｉ９のグループ３４Ｃとにおいて発生する誘導電流が逆相となる位相関係にあり、さらに、誘導コイル３４ｉ７、３４ｉ１０のグループ３４Ｂと誘導コイル３４ｉ２、３４ｉ５のグループ３４Ｄとにおいて発生する誘導電流が逆相となる位相関係にある。

また、このうちグループ３４Ａ、３４Ｂは、大まかには同相で変移する電流波形であるがその波形中において逆相となる範囲の大小でも区別（分類）することにより、ダイオード３７Ａ、３７Ｂの上流側で誘導電流を合流させる際に、合成した電流値が小さくなってしまうことを出来るだけ回避するように組み合わせている。グループ３４Ｃ、３４Ｄでも、同様に区別することにより、ダイオード３７Ｃ、３７Ｄの上流側で合成した電流値が小さくなってしまうことを出来るだけ回避するように組み合わせている。

この結果、誘導コイル３４は、グループ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄに分類して、その分類毎にそれぞれダイオード３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄに直列接続して経由させることにより、損失少なく交流の誘導電流を整流して、できるだけ平滑化させた直流電流を直列接続されている界磁コイル３５に供給（通電）することができる。

したがって、ステータ１０の電機子コイル１４で発生する基本周波数の回転磁束に第２次空間高調波成分が重畳していることから、アウタロータ２０側に鎖交する磁束によって発生する誘導電流波形は、誘導コイル３４の周方向の配置位置に応じて異なる。このため、図６に示す電機子コイル１４を分布巻きにする場合にアウタロータ２０を独自回転させるトルクを得ることが出来なくなってしまうタイミングには、誘導コイル３４で誘導電流を発生させて界磁電流として界磁コイル３５に通電することができ、マグネットトルクを利用して回転トルクを確実に得ることが出来る。

ところで、特許文献１に記載の回転電機Ｍは、図９に示すように、ステータＳの電機子コイルＣの極対数Ａ＝６、アウタロータＲ１の永久磁石ＰＭの極対数Ｐ＝１０、インナロータＲ２の磁気導通路ＭＰの極数Ｈ（Ａ＋Ｐ）＝１６の構造で、磁気変調原理を利用して遊星歯車におけるサンギヤ、リングギヤ、キャリアと同等に機能する磁気変調型二軸モータに構成されている。

これに対して、回転電機１００は、ステータ１０の電機子コイル１４の極対数Ａ＝６、インナロータ３０のロータティース３２の極対数Ｐ＝１０、アウタロータ２０の磁路部材（変調子）２１の極数Ｈ（Ａ＋Ｐ）＝１６の構造で、上記の式（１）を満たしており、アウタロータ２０には変調子（磁気導通路）を、インナロータ３０には電磁石（ロータティース３２）を配置している。これにより、図８のグラフに示すように、電機子コイル１４を分布巻きで作製する構造のようにトルクが得られなくなる回転条件をなくして、その回転電機Ｍと同等のトルク波形で回転駆動させることができる。回転電機１００のインナロータ３０で利用する電磁力は、ロータティース３２の径方向に十分な長さを確保して誘導コイル３４と界磁コイル３５の巻数によりその巻線量や比率を調整することができ、最適な誘導電流や界磁電流を発生させて十分なトルクを得ることができる。

また、回転電機１００では、誘導コイル３４と界磁コイル３５とをインナロータ３０側のロータティース３２に巻き付けて設置していることから、コイル長を十分に確保しつつ磁気抵抗の脈動が大きくなるようにすることができており、誘導コイル３４で大きな誘導電流を発生させて界磁コイル３５に大きな界磁電流を供給することができ、十分な電磁力を発生させてマグネットトルクとして回転駆動に寄与させることができる。

ここで、回転電機Ｍのように、アウタロータ２０側に十分な長さを有する突極を配置して誘導コイルや界磁コイルを巻き付けることもできるが、この場合には、相対的にインナロータの径が小さくなってしまい磁気抵抗の脈動も小さくなって十分な電磁力（マグネットトルク）を得ることができない。このため、本実施形態の回転電機１００の構造を採用するのが好適である。

このように、本実施形態の回転電機１００においては、アウタロータ２０に複数の磁路部材２１を配置して、インナロータ３０のロータティース３２に誘導コイル３４と界磁コイル３５とを配置する。このため、ステータ１０の電機子コイル１４に交流の駆動電流を供給することにより発生する磁束を、アウタロータ２０の磁路部材２１を通過させて、インナロータ３０のロータティース３２に鎖交させ誘導コイル３４に誘導電流を発生させることができ、その誘導電流をダイオード３７Ａ〜３７Ｄで整流して界磁コイル３５に供給することにより界磁磁束を発生させることができる。

このことから、回転電機１００では、永久磁石を用いることなく、ステータ１０で発生させた磁束に加えて、インナロータ３０で発生させた磁束もアウタロータ２０（磁路部材２１）を介してステータ１０に戻すことができ、閉じた磁気回路を形成することができる。

したがって、回転電機１００は、その磁気回路における磁路長を最短にしようとするトルクを発生させることができる。また、インナロータ３０のロータティース３２を電磁石として機能させることによるマグネットトルクで回転トルクを発生させることができる。

この結果、永久磁石を用いることなく、マグネットトルクを有効に利用可能なアウタロータ２０とインナロータ３０とを備える磁気変調二軸型の回転電機１００を提供することができる。

ここで、誘導コイル３４は、インナロータ３０のロータティース３２の外周側において、誘導電流波形に応じた分類毎に同一方向の集中巻きにし、界磁コイル３５はそのロータティース３２の軸心側に巻付方向を交互にして集中巻きにしている。このため、回転電機１００では、アウタロータ２０（磁路部材２１）を介してステータ１０の電機子コイル１４による磁束を誘導コイル３４に効果的に鎖交させて効率よく誘導電流を発生させることができ、界磁コイル３５の巻付方向に応じて磁化させて電磁石としてのＮ極とＳ極とを交互にアウタロータ２０の磁路部材２１に対面させて適正な磁気回路を形成することができる。

また、ステータ１０の電機子コイル１４も集中巻きにされているため、インナロータ３０側に鎖交する回転磁束に重畳する高調波成分が、誘導コイル３４に鎖交することによって誘導電流が発生する。その誘導電流の電流波形に応じて分類されている誘導電流が、整流回路３６のダイオード３７Ａ〜３７Ｄにより無駄を少なく整流されることにより、界磁コイル３５で大きなマグネットトルクを発生させて回転トルクを効果的に得ることが出来る。

ここで、本実施形態の第１の他の態様としては、図示することは省略するが、インナロータ３０のロータティース３２内に永久磁石を埋設してもよい。この永久磁石は、ダイオード３７Ａ〜３７Ｄにより整流してロータティース３２を電磁石として機能させるときの磁化方向に、磁極（Ｎ極、Ｓ極）が一致するように配置する。この場合には、ロータティース３２の電磁石の磁力に、永久磁石の磁力を加えて機能させることができ、より大きな磁力を作用させてインナロータ３０（インナ回転軸１０２）を大きなトルクで回転駆動させることができる。なお、この永久磁石は、誘導コイル３４により機能させる電磁力を補助するだけの磁力で十分であることから、例えば、ネオジウム磁石のような希少で高価な永久磁石である必要はなく、安定供給可能で安価な種類のものを採用すればよい。なお、ネオジウム磁石のような希少で高価な永久磁石を採用してもよく、この場合、安定して大きなトルクを得ることができる。

さらに、本実施形態の第２の他の態様としては、回転電機１００のように径方向にエアギャップＧ１、Ｇ２を形成するラジアルギャップ構造に限定されず、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造で構成しても良い。この場合も、軸方向に並列するステータと２組のロータ側にそれぞれ電機子コイルや磁路部材、誘導コイルを配置する。

また、回転電機１００のようなラジアルギャップ構造の場合には、ステータ１０やアウタロータ２０やインナロータ３０を電磁鋼板の積層構造で構成することに限定されず、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（Soft Magnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。

また、回転電機１００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１０ステータ
１２ステータティース
１４電機子コイル
２０アウタロータ（第２のロータ）
２１磁路部材
２２空隙
３０インナロータ（第１のロータ）
３２ロータティース（突極部）
３４誘導コイル
３５界磁コイル
３６整流回路
３７Ａ〜３７Ｄダイオード（整流素子）
３９閉回路
１００回転電機
１０１アウタ回転軸
１０２インナ回転軸
Ｇ１、Ｇ２エアギャップ

Claims

通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、
前記磁束の通過により回転する第１のロータと、
前記第１のロータを通過する前記磁束の磁路の途中に配置されて回転する第２のロータと、を備える回転電機であって、
前記ステータの極対数をＡとし、前記第１のロータの極対数をＰとし、前記第２のロータの極数をＨとしたときに、Ｈ＝｜Ａ±Ｐ｜の関係を満たし、
前記ステータは、前記電機子コイルが集中巻きされて、
前記第２のロータは、周方向に所定の間隔を保持するように複数の軟磁性体が配置されて、
前記第１のロータは、前記電機子コイルで発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる誘導コイル、および、前記誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルが巻かれて周方向に並列されている複数の突極部と、前記誘導コイルで発生する前記誘導電流を直流電流に整流する整流回路とを備え、
前記整流回路は、前記誘導電流の電流波形が重なる前記誘導コイル毎に分類された当該誘導コイルが整流素子の上流側に接続され、前記界磁コイルが前記整流素子の下流側に接続され、
前記誘導コイルは、前記誘導電流の電流波形が重なる誘導コイルが直列接続された第１グループと、前記第１グループの誘導電流とは逆相関係となる誘導コイルが直列接続された第２グループと、前記第１グループの誘導電流と同相に変移する電流波形となる誘導コイルが直列接続された第３グループと、前記第３グループの誘導電流とは逆相関係となる誘導コイルが直列接続された第４グループとに分類され、前記第１グループと前記第２グループと前記第３グループと前記第４グループとが並列接続される、回転電機。