JP2008245484A - 動力変換用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】スリップリングや回転トランスなどの電力供給手段を使用しなくても、動力変換を効率良く行うことができ、かつ、構造が簡単でコストダウンを図ることができるとともに、信頼性の高い動力変換用回転電機を提供する。
【解決手段】第１回転子１、第２回転子２、および固定子３が順次径方向外方に向けて互いに同心状にギャップ４，５を存して順次配置されている。固定子３と固定子３に対して回転可能に支持された第２回転子２とで電機子を構成し、固定子３の各コイル３２ａ〜３２ｃへの通電状態を制御することにより、第２回転子２の内側に固定子３との相対位置に関係なく常に安定した回転磁束を発生させて第１，第２回転子１，２の回転状態を変化させ、これによって入出力軸６，７間の動力の伝達、分配、加算を可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部から入力される回転動力を効率的に変換して駆動軸に出力するとともに、蓄電池等の他の電源との動力の授受を併せて行う、動力変換用回転電機に関する。

一般に、ハイブリッド自動車などでは、エンジン等の原動機に連結される入力軸から入力される回転動力を、効率的に変速しながら車軸などに連結される出力軸に出力したり、あるいは蓄電池からの電力に基づいて出力軸を駆動し、また蓄電池への充電を行う動力変換用回転電機が必要となる。

このような機能を備える動力変換用回転電機として、従来技術では、動力の入力軸上にともに回転する軸上回転機を設け、この軸上回転機の回転軸を出力軸に接続する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来の動力変換用回転電機では、軸上回転機のトルクおよび回転数を制御することにより、出力軸から出力される動力のトルクおよび回転数を操作することができ、同時にこの動力変換で過不足する動力は、外部の蓄電池等の電源との間の電力の授受によって軸上回転機に対して入出力されるようになっている。

特許３１７３３９６号公報

ところで、上記の特許文献１に記載されている従来の動力変換用回転電機においては、動力の入力軸と共に回転する軸上回転機を設ける必要がある。そのため、軸上回転機の電機子コイルへ電力供給を行うには、スリップリングや回転トランスなどの電気的カップリングが必要となって構造が複雑になっている。また、このように回転する電機子コイルへの電力供給のためにスリップリング等の電気的カップリングを使用するときには、接触不良や摩耗等の故障が発生し易く、長期信頼性が低下するという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、スリップリングや回転トランスなどの電力供給手段を使用しなくても、動力変換を効率良く行うことができ、構造が簡単でコストダウンを図ることができるとともに、信頼性の高い動力変換用回転電機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の動力変換用回転電機は、第１回転子、第２回転子、および固定子が順次径方向外方に向けて互いに同心状にギャップを存して順次配置され、上記第１回転子は外部からの回転動力を入力する入力軸に一体連結され、上記第２回転子は動力を外部に出力する出力軸に一体連結されており、かつ、上記第１回転子は周方向に沿ってＮ，Ｓ交互に磁極を発生する界磁極を備え、上記第２回転子は、第１回転子に対して回転自在に配置されるとともに、上記第１回転子と上記固定子との間にわたって通過する径方向の磁束を集束させる複数の磁路が周方向および軸心方向に沿ってそれぞれ位置をずらせた状態で形成されており、上記固定子は、上記第２回転子の磁路によって集束された磁束を軸心方向に誘導して上記第２回転子と共に閉じた磁気回路を形成するコアを有し、このコアの内周部には周方向に沿って環状に巻装されて上記磁気回路と鎖交する複数のコイルが設けられていることを特徴としている。

本発明の動力変換用回転電機によれば、固定子のコイルへの通電状態を制御することにより、第２回転子の内側に回転磁界を発生させて第１，第２回転子の回転状態を変化させ、これによって入出力軸間の動力の伝達、分配、加算を可能とすることができる。このため、従来のようなスリップリングや回転トランスなどの電気的カップリングが不要となる。このため、構造が簡素化されてコストダウンを図れるとともに、故障等の発生が少なくなり、信頼性が向上するという優れた効果が得られる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における動力変換用回転電機の構造を示す軸心方向に沿う断面図、図２は第１回転子の軸心方向と直交する方向の断面図、図３は第２回転子の軸心方向の位置を異ならせた場合の軸心方向と直交する方向の断面図、図４は固定子を示す斜視図である。

この実施の形態１における動力変換用回転電機は、第１回転子１、第２回転子２、および固定子３を備え、これらが順次径方向外方に向けて互いに同心状にギャップ４，５を存して配置されている。この場合、第２回転子２と固定子３とが基本的に第１回転子１に対する電機子としての役目を果たす。そして、第１回転子１は、例えば原動機等の外部からの回転動力を入力する入力軸６に一体連結され、第２回転子２は動力を外部に出力する出力軸７に一体連結されている。また、入力軸６と出力軸７とはそれぞれフレーム８に設けた軸受９１，９２によって回転自在に支持されている。

上記の第１回転子１は、図２に示すように、円柱状の鉄心１１の外周部において周方向に沿ってＮ，Ｓ交互に磁極を発生するように、界磁極としての２組（計４個）の永久磁石１２ａ，１２ｂが設けられている。すなわち、例えば互いに対向する一対の永久磁石１２ａは、外側がＮ極で内側がＳ極であれば、これと直交する互いに対向する一対の永久磁石１２ｂは、外側がＳ極で内側がＮ極であって、２極対の永久磁石磁極を持つ回転子として構成されている。

第２回転子２は、第１回転子１に対して相対的に回転するように軸受９３，９４によって回転自在に支持されている。そして、図３に示すように、第２回転子２は、第１回転子１と固定子３との間にわたって通過する径方向の磁束を集束させる鉄等でできたＵ，Ｖ，Ｗの各相一組の磁路２２ａ，２２ｂ，２２ｃが合成樹脂等でできた非磁性の円筒状の構造材２１の内部に一体的に埋め込まれている。

この場合、各磁路２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、径方向に内周面から外周面に至るように一定幅ｗで形成されており、かつ、各相ごとに軸心方向に沿って互いに位置をずらせた状態で配置されている。さらに、Ｕ相とＶ相の各磁路２２ａ，２２ｂ、およびＶ相とＷ相の各磁路２２ｂ，２２ｃは、周方向に沿って順次電気角で１２０度ずつ（本例では二極対であるので、機械角で６０度ずつ）位相をずらした状態で設けられている。

固定子３は、図４に示すように、第２回転子２の磁路によって集束された磁束を第１回転子１の回転中心と平行な軸心方向に誘導して第２回転子２と共に閉じた磁気回路を形成する鉄心からなる円筒状のコア３１を有する。そして、このコア３１の内周部には、第２回転子２の各磁路２２ａ，２２ｂ，２２ｃに対応して周方向に沿ってＵ，Ｖ，Ｗ各相の環状のコイル３２ａ，３２ｂ，３２ｃが巻装されている。

ここで、Ｕ相およびＶ相の各コイルが単一のコイル３２ａ，３２ｃで構成されるのに対して、Ｖ相のコイル３２ｂは、磁束の向きが調整可能なように、コア３１の内周壁を挟んで左右２つの環状コイル３２ｂ１，３２ｂ２に分割して配置されている。その際、各相コイル３２ａ〜３２ｃが発生する磁束をバランスさせるには、例えば、Ｕ相とＷ相のコイル３２ａ，３２ｃの巻数と、Ｖ相コイル３２ｂを構成する２つの各コイル３２ｂ１，３２ｂ２との巻数の比を、図示のように略２：１とすれば、各相が発生する磁束をバランスさせることができるので都合がよい。なお、ギャップ５の大きさや各相電流の振幅を調節することによっても、同様に磁束のバランスを整えることが可能である。

図５はこの実施の形態１の回転電機において、磁気回路を構成する部分のみを模式的に抽出した図であり、同図（ａ）は軸心方向に沿う断面図、同図（ｂ）は軸心方向と直交する方向の断面の投影図である。なお、第２回転子２の各磁路２２ａ〜２２ｃは図３に示したように各相ごとに周方向に沿って角度をずらして配置しているので、実際上は図５（ａ）のように同一断面に全ての磁路２２ａ〜２２ｃが出現することはないが、説明の便宜上、同一断面上に示している。

次に、図５に示した磁気回路の構成部分において、各相のコイル３２ａ〜３２ｃに電流を流した場合に生じる磁界の状況について図６〜図８を参照して説明する。なお、ここでは理解を容易するため、第１回転子１の永久磁石１２ａ，１２ｂによる磁界の影響を考えずに、回転電機の磁気回路に生じる磁界のみに着目して説明する。また、ここでは第２回転子２は回転していないものとする。

図６〜図８において、各相のコイル３２ａ〜３２ｃの断面に記載された各記号は電流の方向を示している。また、ここでは説明の便宜上、固定子３から第１，第２回転子１，２に向かうように磁束が生じるときの各コイル３２ａ〜３２ｃに流れる電流を正の電流と、第１，第２回転子１，２から固定子３に向かうように磁束が生じるときの各コイル３２ａ〜３２ｃに流れる電流を負の電流と称する。

まず、第１の状態として、図６に示すように、Ｕ相コイル３２ａとＷ相コイル３２ｃに正の電流を、Ｖ相の２つのコイル３２ｂ１，３２ｂ２に負の電流を流した場合を考える。この通電状態において、磁気回路には図６の破線矢印で示した方向に磁束が発生し、これに伴い、図６（ｂ）に示すように、第２回転子２の内側には白抜き矢印で示した方向の磁界が発生する。

次に、第２の状態として、図７に示すように、Ｕ相コイル３２ａに正の電流を、Ｖ相の２つのコイル３２ｂ１，３２ｂ２、およびＷ相コイル３２ｃに負の電流を流した場合を考える。この通電状態において、磁気回路には図７の破線矢印で示した方向に磁束が発生し、これに伴い、図７（ｂ）に示すように、第２回転子２の内側には白抜き矢印で示した方向の磁界が発生する。

さらに第３の状態として、図８に示すように、Ｕ相コイル３２ａおよびＶ相の２つのコイル３２ｂ１，３２ｂ２に正の電流を、Ｗ相コイル３２ｃに負の電流を流した場合を考える。この通電状態において、磁気回路には図８の破線矢印で示した方向に磁束が発生し、これに伴い、図８（ｂ）に示すように、第２回転子２の内側には白抜き矢印で示した方向の磁界が発生する。

ここで、第２回転子２の内側に生じる磁界の動き（白抜き矢印）に着目すれば、図６から図７への変化により、磁界は時計回りに３０°、図７から図８への変化によりさらに時計回りに３０°回転していることが分かる。したがって、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに流す電流の方向を順次変化させていくことにより、第２回転子２の内側には回転磁界を発生させることができる。

図９は、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに流すＵ，Ｖ，Ｗの各相電流の方向と、これに伴って第２回転子２の内側に発生する磁界の位相との関係を示している。なお、磁界の位相は図７に示した状態を零としている。このようにして、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに流すＵ，Ｖ，Ｗの各相電流の方向を時分割で順次切り替えることにより、第２回転子２の内側には連続して回転磁界を発生させることができる。

すなわち、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃへの通電と第２回転子２の内側に発生する回転磁界との関係は、極対数が“２”の三相交流電動機の固定子のコイルに供給する三相電流と固定子３の内側に発生する回転磁界の関係と同じであるので、本発明の実施の形態１における動力変換用回転電機においても、三相交流電動機と同様、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに三相交流を流すことにより、第２回転子２の内側に回転磁界を発生させることができる。

この場合、固定子３と第２回転子２とは、例えば図６〜図８に示したように、磁気回路によって結合されているため、固定子３に対して第２回転子２の角度が変化しても、固定子３のコイル３２ａ〜３２ｃへの通電によって第２回転子２の内側に発生する磁界の状態は変化しない。つまり、第２回転子２上で回転磁界を観察すると、第２回転子２の内側に発生する回転磁界の発生状況は、固定子３に対する第２回転子２の角度変化に影響されることはく常に同じ状態である。

したがって、次に、第１回転子１に設けられた永久磁石１２ａ，１２ｂの磁界との関係を考えると、第１回転子１の永久磁石１２ａ，１２ｂが発生する磁界に対して、第２回転子２に所望の大きさと速度を持つ回転磁界を発生させることにより、両者の相互作用によって第１，第２回転子１，２間で常に所望のトルクを生じさせることができ、動力変換装置として作用させることができる。

すなわち、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに一定の直流電流を通電（例えば、各相のコイル３２ａ〜３２ｃを図６に示した通電状態に固定）すれば、第２回転子２は直流励磁されるので、第１回転子１の永久磁石１２ａ，１２ｂの吸引力で第１回転子１と第２回転子２とは磁気的に決まった位相で磁気結合されて一体化され、入力軸６と同じ回転数で出力軸７が回転することになる。したがって、この場合は、入力軸６から入力される動力がそのまま出力軸７から出力される。

これに対して、第１回転子１の回転方向と同じ方向に第２回転子２に回転磁界が発生するように、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに三相交流を通電すれば、出力軸７は入力軸６の回転数から第２回転子２の回転磁界の速度を減じた速度で回転し、回転電機は発電機の動作となり、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに発電電流が生じて動力の分配が行われる。この場合には、例えば蓄電池等の電源が充電される。

また、第１回転子１の回転方向と逆の方向に第２回転子２に回転磁界が発生するように、固定子３の各コイル３２ａ〜３２ｃに三相交流を通電すれば、出力軸７は入力軸６の回転数に第２回転子２の回転磁界の速度を加えた速度で回転し、回転電機は電動機の動作となって動力の加算が行われる。この場合には、蓄電池等の電源から固定子３の各コイル３２ａ〜３２ｃへの通電により電力が消費される。

以上のように、本発明の実施の形態１の動力変換用回転電機によれば、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃへの通電状態を制御することにより、第２回転子２の内側に回転磁界を発生させて第１，第２回転子１，２の回転状態を変化させ、これによって入出力軸６，７間の動力の伝達、分配、加算を可能とすることができる。このため、従来のようなスリップリングや回転トランスなどの電気的カップリングが不要となり、構造が簡素化されてコストダウンを図れるとともに、故障等の発生が少なくなり、信頼性が向上するという優れた効果が得られる。

上記の実施の形態１に対して、次の各種の変形例を考えることができる。
（１）上記の実施の形態１では、回転電機の第１回転子１が２極対の場合であったが、その他の極対数についても構成が可能である。例えば、極対数が“１”の場合の、第１回転子１の軸心方向と直交する方向の断面図を図１０に、これに対応した第２回転子２における各磁極２２ａ〜２２ｃを含んだ軸心方向と直交する方向の断面図を図１１に示す。また、極対数が“４”の場合の、第１回転子１の軸心方向と直交する方向の断面図を図１２に、これに対応した第２回転子２における各磁極２２ａ〜２２ｃを含んだ軸心方向と直交する方向の断面図を図１３に示す。

（２）上記の実施の形態１では、固定子３のコアに設けられたＵ相およびＶ相コイルは１つの環状コイル３２ａ，３２ｃで構成され、Ｖ相コイル３２ｂは左右２つの環状コイル３２ｂ１，３２ｂ２に分割された構成について説明したが、これに限らず、例えば、円筒状のコア３１を軸心方向に沿ってさらに延長し、このコア３１にＵ，Ｖ，Ｗの各相のコイルを軸心方向に沿って多段に配置するとともに、これに対応させて第２回転子２のＵ，Ｖ，Ｗの各相の磁路も軸心方向に沿って多段に配置した構造としてもよい。この場合、固定子３の各相のコイルについては、図５でのＵ相、Ｗ相のコイル３２ａ，３２ｃのように、その両端に位置するコイルは１つの環状コイルとし、その中間に位置するコイルは図５に示したＶ相の２つのコイル３２ｂ１，３２ｂ２のようにコア３１の内周壁を挟んで２つのコイルを分割配置すれば、固定子３のコア３１によりそれぞれ連続した磁気回路が構成できるために好適である。

（３）実施の形態１では、第２回転子２の各磁路２２ａ〜２２ｃは、図３に示したように、内周から外周に至るまで一定幅ｗのものであるが、各相の磁路２２ａ〜２２ｃの幅が外周側に向かう程広くなるように形成したり、あるいは、図１４に示すように、各相の磁路２２ａ〜２２ｃを外周側で一体に結合して磁路の断面積を拡大した構造としても良い。図１４のような構造にすることにより、機械的な強度が向上するとともに、図１４（ａ）に破線矢印で示すように磁束が通過し易くなるので、磁気回路の磁気抵抗を低減することができる。

さらに、図１５に示すように、第２回転子２の各磁路２２ａ〜２２ｃの軸心方向の長さが、第２回転子２の内周側になるほど次第に長くなるように形成して各磁路２２ａ〜２２ｃの断面積を拡大した構造としてもよい。なお、図１５では、図５の場合と同様に、第２回転子２の全ての磁路２２ａ〜２２ｃを、説明の便宜上、同一断面に示している。図１５に示すような構造にすることによっても、図１５に破線矢印で示すように、固定子３のコア３１と第２回転子２の内側との間にわたって磁束が通過し易くなり、磁気回路の磁気抵抗を低減することができる。

（４）この実施の形態１では、第２回転子２の各磁路２２ａ〜２２ｃは、図３に示したように各相ごとに周方向に沿って互いに角度をずらして配置しているので、図１６に示すように、第２回転子２上の各相の磁路２２ａ，２２ｂ，２２ｃを軸心方向に沿って伸張することが可能である。すなわち、図１６では、第２回転子２の各相の磁路２２ａ〜２２ｃの軸心方向の長さが、第２回転子２の内周側になるほど次第に長くなるようにして固定子３の長さと略同じになるまで伸張されている。このように、各磁路２２ａ〜２２ｃの軸心方向の長さを伸張しても、各磁路は周方向において互いに位置ずれしているので互いに干渉し合うことはない。むしろ、第２回転子２上の各相の磁路２２ａ〜２２ｃを固定子３の長さと略同じ長さになるまで伸張することにより、図１６に破線矢印で示すように、固定子３のコアと第２回転子２の内側との間にわたって磁束が通過し易くなり、磁気回路の磁気抵抗をさらに低減することができるとともに、第１回転子１上の永久磁石１２ａ，１２ｂが発生する磁束をより有効に利用することができる。

（５）また、実施の形態１では、第１回転子１の永久磁石１２ａ，１２ｂによって界磁極を形成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第１回転子１に界磁巻線を設け、この界磁巻線に通電することにより第１回転子１に界磁極を形成することも可能である。

実施の形態２．
上記の実施の形態１では、図６〜図８に示したように、磁気回路は三相交流によって発生した磁束が合成されることによって生じたが、この実施の形態２では、磁気回路が各相ごとに独立して発生する構成としたものである。以下、この実施の形態２についてさらに詳述する。

図１７は本発明の実施の形態２における動力変換用回転電機の構造を示す軸心方向に沿う断面図、図１８は第１回転子の軸心方向と直交する方向の断面図、図１９は第２回転子の軸心方向の位置を異ならせた場合の軸心方向と直交する方向の断面図であり、図１ないし図４に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２において、第１回転子１は、図１８に示すように、円柱状の鉄心１１の外周部において周方向に沿ってＮ，Ｓ交互に磁極を発生するように、界磁極としての２組（計４個）の永久磁石１２ａ，１２ｂが設けられている。この場合の各永久磁石１２ａ，１２ｂの構成は、図２に示した実施の形態１の場合と同じである。

第２回転子２は、図１９（ａ）〜（ｃ）に示すように、鉄等でできたＵ相の磁路２２ａ１，２２ａ２、Ｖ相の磁路２２ｂ１，２２ｂ２、Ｗ相の磁路２２ｃ１，２２ｃ２が合成樹脂等でできた非磁性の円筒状の構造材２１の内部に一体的に埋め込まれている。この場合、各磁路２２ａ１〜２２ｃ２は、径方向に内周面から外周面に至るまで一定幅ｗで形成されている。また、各磁路２２ａ１〜２２ｃ２は、各相ごとに２組（計４個）設けられており、各相の一組ごとの磁路２２ａ１と２２ａ２，２２ｂ１と２２ｂ２，２２ｃ１と２２ｃ２は互いに周方向に９０度ずらせて配置されている。さらに、各相の磁路２２ａ１〜２２ｃ２は、各相ごとに軸心方向に位置をずらせた状態で配置されるとともに、Ｕ相とＶ相の各磁路、およびＶ相とＷ相の各磁路は、周方向に沿って順次電気角で１２０度ずつ（本例では二極対であるので、機械角で６０度ずつ）位相をずらした状態で設けられている。

固定子３は、３相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相に個別に対応した３個のコア３１ａ，３１ｂ，３１ｃが軸心方向に沿って順次配置されており、各コア３１ａ〜３１ｃの内周部に各相のコイル３２ａ〜３２ｃが個別に対応して設けられている。

したがって、この実施の形態２の動力変換用回転電機は、実施の形態１の構成と比べると、固定子３はそれぞれ３つのコア３１ａ〜３１ｃおよびコイル３２ａ〜３２ｃからなり、これらに対応して、第２回転子２に設けられたＵ相の磁路２２ａ１，２２ａ２、Ｖ相の磁路２２ｂ１，２２ｂ２、Ｗ相の磁路２２ｃ１，２２ｃ２は、周方向の配置角度が異なるだけで同一形状をしていることが分かる。
その他の構成は、実施の形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

この実施の形態２の回転電機では、各相の磁気回路の構成部分はそれぞれ独立しているので、図２０には、１相分（ここでは一例としてＵ相）の磁気回路を構成する部分のみを模式的に抽出して示している。なお、図２０（ａ）は軸心方向に沿う断面図、図２０（ｂ）は軸心方向と直交する方向の断面の投影図である。第２回転子２の１相分に対応する２組の磁路２２ａ１，２２ａ２は、図１９（ａ）に示したように周方向に沿って互いに角度を９０度ずらして配置しているので、実際上は図２０（ａ）のように同一断面に全ての磁路が出現することはないが、説明の便宜上、同一断面上に示している。

次に、図２０に示した磁気回路の構成部分において、Ｕ相のコイル３２ａに電流を流した場合に生じる磁界の状況について、図２１，図２２を参照して説明する。なお、ここでは理解を容易するため、第１回転子１の永久磁石１２ａ，１２ｂによる磁界の影響を考ずえに、回転電機の磁気回路に生じる磁界のみに着目して説明する。また、ここでは第２回転子２は回転していないものとする。

実施の形態１で説明した場合と同様、図２１，図２２において、コイル３２ａの断面に記載された各記号は電流の方向を示している。また、ここでは説明の便宜上、固定子３から第１，第２回転子１，２に向かうように磁束が生じるときのコイル３２ａに流れる電流を正の電流と、第１，第２回転子１，２から固定子３に向かうように磁束が生じるときのコイル３２ａに流れる電流を負の電流と称する。

まず、第１の状態として、図２１に示すように、Ｕ相のコイル３２ａに正の電流を流した場合を考える。この通電状態において、磁気回路には図２１の破線矢印で示した方向に磁束が発生し、これに伴い、図２１（ｂ）に示すように、第２回転子２の内側には白抜き矢印で示した方向の磁界が発生する。

次に、第２の状態として、図２２に示すように、Ｕ相のコイル３２ａに負の電流を流した場合を考える。この通電状態において、磁気回路には図２２の破線矢印で示した方向に磁束が発生し、これに伴い、図２２（ｂ）に示すように、第２回転子２の内側には白抜き矢印で示した方向の磁界が発生する。

図２１と図２２を比較すると、Ｕ相の電流の向きを正から負にすれば、第２回転子２の内側に生じる磁界の向き（白抜き矢印）が９０度変化していることが理解できる。

上記の説明は、Ｕ相のコイル３２ａのみに着目して当該コイル３２ａに正負の電流を流した場合であるが、第２回転子２のＵ相とＶ相の磁路、およびＶ相とＷ相の磁路は、図１９に示したように周方向に沿って順次６０度ずつずれて配置されているので、Ｖ相のコイル３２ｂに正の電流を流した場合の磁界の向きは６０度、負の電流を流した場合は１５０度であり、またＷ相のコイル３２ｃに正の電流を流した場合の磁界の向きは１２０度、負の電流を流した場合は２１０度（この場合、磁界の向きは１８０度を一周期とするのでこれは３０度と等価）である。このことから、各相のコイル３２ａ〜３２ｃに流すＵ，Ｖ，Ｗの各相の電流の方向を所定の順序で正負切り替えることにより、第２回転子２の内側には連続して回転磁界を発生することができる。

図２３は、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに流すＵ，Ｖ，Ｗの各相電流の方向と、これに伴って第２回転子２の内側に発生する磁界の位相との関係を示している。なお、磁界の位相は図２１に示した状態を零としている。

図２３に実線で示すようにＵ，Ｖ，Ｖの各相電流を段階的に切り替えれば、磁界位相は同図に示すように階段状に変化するが、同図に破線で示すように各相電流を正弦波状に変化させれば、磁界位相も連続的に変化し、これにより、第２回転子２の内側には間断なく回転磁界を発生させることができる。

すなわち、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃへの通電と第２回転子２の内側に発生する回転磁界との関係は、極対数が“２”の三相交流電動機の固定子３三相電流と固定子３の内部に発生する回転磁界の関係と同じであるので、本発明の実施の形態２における動力変換装置用回転電機においても、三相交流電動機と同様、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃに三相交流を流すことにより、第２回転子２の内側に回転磁界を発生させることができる。これは実施の形態１による動力変換用回転電機の場合と同様である。

したがって、この実施の形態２の動力変換用回転電機においても、固定子３の各相のコイル３２ａ〜３２ｃへの通電状態を制御することにより、第２回転子２の内部に回転磁界を発生させて第１，第２回転子１，２の回転状態を変化させ、これによって入出力軸６，７間の動力の伝達、分配、加算を可能とすることができる。このため、従来のようなスリップリングや回転トランスなどの電気的カップリングが不要となり、構造が簡素化されてコストダウンを図れるとともに、故障等の発生が少なくなり、信頼性が向上するという優れた効果が得られる。

しかも、この実施の形態２の回転電機は、独立に構成されたＵ相の磁路２２ａ１，２２ａ２、Ｖ相の磁路２２ｂ１，２２ｂ２、Ｗ相の磁路２２ｃ１，２２ｃ２は、同じ形状をしており、また、各相のコイル３２ａ〜３２ｃが発生する磁束の大きさはバランスしていて、実施の形態１のように各相のコイル巻数を変えて磁束のバランスを調整する必要がない。このため、部品の共通化が可能であり、低コスト化を図る上でより一層有利である。

上記の実施の形態２について、次の各種の変形例を考えることができる。
（１）実施の形態２では回転電機の極対数が“２”の場合について説明したが、その他の極対数についても構成が可能であることは言うまでもない。

（２）実施の形態２では、Ｕ，Ｖ，Ｖの各相に対応して３つのコア３１ａ〜３１ｃとコイル３２ａ〜３２ｃを配置して固定子３を構成し、また、これに対応して、第２回転子２には、図１９に示したように軸心方向に沿ってＵ，Ｖ，Ｗの各相それぞれの磁路２２ａ１〜２２ｃ２を配置した場合について説明したが、同様の構造を軸心方向に沿って複数段に渡って配置した構造とすることもできる。

（３）実施の形態２では、第２回転子２の各磁極は、図１９に示したように、内周から外周に至るまで一定幅ｗのものであるが、実施の形態１の変形例として示した図１４の場合と同様に、磁路断面積を拡大した構造としてもよい。この構成にすれば、機械的な強度が向上するとともに、固定子３のコアと第２回転子２の内側との間にわたって磁束が通過し易くなり、磁気回路の磁気抵抗を低減することができる。

さらに、実施の形態１の変形例として示した図１６の場合と同様に、第２回転子２の各相の磁路の軸心方向の長さが、第２回転子２の内側になるほど次第に長くなるように伸張してもよい。一例として図２４にはＵ相に対応する磁路２２ａ１，２２ａ２の軸心方向の断面を示しているが、このように、磁路２２ａ１，２２ａ２の軸心方向の長さを固定子３のコア３１ａの長さと略同一か、それよりも若干長くなるように伸張することにより、固定子３のコア３１ａと第２回転子２の内側との間にわたって磁束が通過し易くなり、磁気回路の磁気抵抗をさらに低減することができるとともに、第１回転子１上の永久磁石１２ａ，１２ｂが発生する磁束をより有効に利用することができる。

（４）また、実施の形態２では、第１回転子１の永久磁石１２ａ，１２ｂによって界磁極を形成した場合について説明したが、例えば、第１回転子１に界磁巻線を設け、この界磁巻線に通電することにより第１回転子１に界磁極を形成することも可能である。

また、本発明は、上記の実施の形態１，２の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種の変形を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態１，２では、三相交流を用いて回転磁界を発生する方法について説明したが、通常の交流回転電機の場合と同様、二相位相の交流から回転磁界を発生することも可能である。特に、二相交流を用いる場合、実施の形態２の構成を採用すると、固定子３のコアの数を３から２に減らすとともに、第２回転子２の各相ごとの磁路を周方向に互いに９０度ずらして配置することにより構成することができる。この構成の場合には、固定子３および第２回転子２の部品が２／３に削減できるので、構成が簡単になるとともに、コスト削減を図ることができる。

本発明の実施の形態１における動力変換用回転電機の構造を示す軸心方向に沿う断面図である。 同回転電機を構成する第１回転子の軸心方向と直交する方向の断面図である。 同回転電機を構成する第２回転子の軸心方向の位置を異ならせた場合の軸心方向と直交する方向の断面図である。 同回転電機を構成する固定子を示す斜視図である。 同回転電機において、磁気回路を構成する部分のみを模式的に抽出した図である。 図５に示す磁気回路の構成部分において、各相のコイルに電流を流した場合に生じる磁界の状況を示す説明図である。 図５に示す磁気回路の構成部分において、各相のコイルに電流を流した場合に生じる磁界の状況を示す説明図である。 図５に示す磁気回路の構成部分において、各相のコイルに電流を流した場合に生じる磁界の状況を示す説明図である。 実施の形態１の回転電機において、固定子の各相のコイルに流すＵ，Ｖ，Ｗの各相電流の方向と、これに伴って第２回転子の内側に発生する磁界の位相との関係を示す特性図である。 同回転電機を構成する第１回転子の変形例として極対数が“１”の場合の軸心方向と直交する方向の断面図である。 図１０に示した第１回転子に対応して設けられる第２回転子において、軸心方向の位置を異ならせた場合の軸心方向と直交する方向の断面図である。 同回転電機を構成する第１回転子の変形例として極対数が“４”の場合の軸心方向と直交する方向の断面図である。 図１２に示した第１回転子に対応して設けられる第２回転子において、軸心方向の位置を異ならせた場合の軸心方向と直交する方向の断面図である。 第２回転子が備える磁極の変形例を示すもので、軸心方向の位置を異ならせた場合の軸心方向と直交する方向の断面図である。 第２回転子が備える磁極の他の変形例を示すもので、回転電機の軸心方向に沿う断面図である。 第２回転子が備えるさらに他の変形例を示すもので、周方向の位置を異ならせた場合の同回転電機の軸心方向に沿う断面図である。 本発明の実施の形態２における動力変換用回転電機の構造を示す軸心方向に沿う断面図である。 同回転電機を構成する第１回転子の軸心方向と直交する方向の断面図である。 同回転電機を構成する第２回転子の軸心方向の位置を異ならせた場合の軸心方向と直交する方向の断面図である。 同回転電機において、１相分の磁気回路を構成する部分のみを模式的に抽出した図である。 図２０に示す磁気回路の構成部分において、１相分のコイルに電流を流した場合に生じる磁界の状況を示す説明図である。 図２０に示す磁気回路の構成部分において、１相分のコイルに電流を流した場合に生じる磁界の状況を示す説明図である。 実施の形態２の回転電機において、固定子の各相のコイルに流すＵ，Ｖ，Ｗの各相電流の方向と、これに伴って第２回転子の内側に発生する磁界の位相との関係を示す特性図である。 第２回転子が備える磁極の他の変形例を示すもので、周方向の位置を異ならせた場合の同回転電機の軸心方向に沿う断面図である。

符号の説明

１ 第１回転子、２ 第２回転子、３ 固定子、４，５ ギャップ、６ 入力軸、
７ 出力軸、１１ 鉄心、１２ａ，１２ｂ 永久磁石（界磁極）、
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ａ１，２２ａ２，２２ｂ１ 磁路、
２２ｂ２，２２ｃ１，２２ｃ２ 磁路、３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ コア、
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、３２ｂ１，３２ｂ２ コイル。

Claims (3)

1. 第１回転子、第２回転子、および固定子が順次径方向外方に向けて互いに同心状にギャップを存して順次配置され、上記第１回転子は外部からの回転動力を入力する入力軸に一体連結され、上記第２回転子は動力を外部に出力する出力軸に一体連結されており、かつ、上記第１回転子は周方向に沿ってＮ，Ｓ交互に磁極を発生する界磁極を備え、上記第２回転子は、上記第１回転子に対して回転自在に配置されるとともに、上記第１回転子と上記固定子との間にわたって通過する径方向の磁束を集束させる複数の磁路が周方向および軸心方向に沿ってそれぞれ位置をずらせた状態で形成されており、上記固定子は、上記第２回転子の磁路によって集束された磁束を軸心方向に誘導して上記第２回転子と共に閉じた磁気回路を形成するコアを有し、このコアの内周部には周方向に沿って環状に巻装されて上記磁気回路と鎖交する複数のコイルが設けられていることを特徴とする動力変換用回転電機。
2. 上記固定子は、単一のコアを備え、このコアには少なくとも多相交流の各相に個別に対応した数だけ上記コイルが設けられ、これらの各コイルに多相交流を通電することにより動力変換を行うことを特徴とする請求項１記載の動力変換用回転電機。
3. 上記固定子は、少なくとも多相交流の各相に個別に対応した数のコアが軸心方向に沿って順次配置され、各コアには各相のコイルが個別に対応して設けられ、これらのコイルに多相交流を通電することにより動力変換を行うことを特徴とする請求項１記載の動力変換用回転電機。

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