JP2016077052A - 磁石レス回転電機及び回転電機制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁石レス回転電機及びこれを含む回転電機駆動システムにおいて、出力改善と、トルク−回転数特性における広範囲での効率的運転とを可能とすることである。
【解決手段】磁石レス回転電機１０は、環状ロータ１２の外周側と内周側のそれぞれにロータコイルを巻回されたロータ突極を設け、環状ロータ１２の外周側に外側ステータ１４、内周側に内側ステータ１６が配置され、ロータコイルに流れる誘導電流の方向を決める２つの整流素子を含んで構成される。これにより、環状ロータ１２は外側ステータ１４の間と内側ステータ１６との間でそれぞれトルクを発生させる。また、環状ロータ１２における外側突極２２の総数と内側突極２６の総数を異ならせ、外側ステータを用いるときの外側回転電機部１３の特性と、内側ステータを用いるときの内側回転電機部１５の特性とを異ならせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁石レス回転電機及び回転電機制御システムに係り、特に、環状ロータの外周側に外側ステータ、内周側に内側ロータを有するダブルステータ型の磁石レス回転電機と、ダブルステータ型の磁石レス回転電機の駆動制御を行う回転電機制御システムに関する。

永久磁石を用いないロータを備える磁石レス回転電機としては、ロータにロータコイルを巻回されたロータ突極を設け、ステータからの界磁によってロータコイルに誘導電流を発生させ、この誘導電流でロータ突極を磁化させる構成が知られている。

特許文献１には、モータとして、ステータによって形成される磁界内に配置され、その磁界により回転されるロータを備え、ロータの突極にはステータとのギャップ近傍に配置される誘導コイルと、これとは別体でステータから遠くに配置されるコモンコイルとを有する構成が開示されている。

本発明に関連する技術として、特許文献２には、環状のロータに周方向に着磁した永久磁石を配置し、ロータの内側に内側ステータ、ロータの外側に外側ステータを設け、内外両ステータはそれぞれＹ結線された三相コイルを有するダブルステータ型モータが開示されている。ここでは、内側ステータの磁極数と外側ステータの磁極数は同じで、ロータに配置された永久磁石が、内側ステータと外側ステータの双方に向けて、並列に磁束を供給している。

特開２０１０−２７９１６５号公報 特開２０１１−２４４６４３号公報

回転電機について、低コスト化と共に、トルク−回転数特性における運転可能領域の拡大が望まれる。磁石レス回転電機は高価な磁石材を用いない利点があるが、一方で、ロータコイルによる銅損が生じ、また、誘導電流によって磁化される磁極の特性が永久磁石ほど強力ではないことから、さらなる出力改善が望まれる。さらに、回転電機として、トルク−回転数特性における広範囲での効率的運転を可能にすることが望まれる。

本発明の目的は、さらなる出力改善と、トルク−回転数特性における広範囲での効率的運転とを可能とする磁石レス回転電機を提供することである。

本発明に係る磁石レス回転電機は、環状のロータヨーク部、ロータヨーク部の外周側に沿って設けられる複数の外側突極、複数の外側突極のそれぞれに巻回される複数の外側ロータコイル、ロータヨーク部の内周側に沿って設けられる内側突極、及び複数の内側突極のそれぞれに巻回される複数の内側ロータコイルを有する環状ロータと、環状ロータの外周側に向かい合って配置される外側励磁コイルを有する外側ステータと、環状ヨークの内周側に向かい合って配置される内側励磁コイルを有する内側ステータと、を備え、環状ロータは、複数の外側突極と複数の内側突極のそれぞれにおいて、隣接する突極の一方側突極に一方側コイルが巻回され、隣接する突極の他方側突極に他方側コイルが巻回され、一方側コイルに誘起される誘起電流によって磁化される一方側突極に磁極の向きを一方側とする一方側整流素子と、他方側コイルに誘起される誘起電流によって磁化される他方側突極の磁極の向きを一方側突極の磁極の向きと反対側とする他方側整流素子と、を有し、外側突極の総数と内側突極の総数が異なることを特徴とする。

本発明に係る磁石レス回転電機において、外側突極の総数は、内側突極の総数よりも多いことが好ましい。

本発明に係る回転電機制御システムは、環状ロータに対し外周側に配置される外側ステータと内周側に配置される内側ステータとを含む回転電機と、駆動制御装置と、を備え、回転電機は、環状のロータヨーク部、ロータヨーク部の外周側に沿って設けられる複数の外側突極、複数の外側突極のそれぞれに巻回される複数の外側ロータコイル、ロータヨーク部の内周側に沿って設けられる内側突極、及び複数の内側突極のそれぞれに巻回される複数の内側ロータコイルを有し、外側突極の総数と内側突極の総数が異なる環状ロータと、環状ロータの外側ロータコイルに流れる電流の方向がロータヨーク部の外周方向に沿って隣接する２つの外側ロータコイルの間で互いに逆方向とする外側整流素子と、環状ロータの内側ロータコイルに流れる電流の方向がロータヨーク部の内周方向に沿って隣接する２つの内側ロータコイルの間で互いに逆方向とする内側整流素子と、環状ロータの外周側に向かい合って配置される外側励磁コイルを有する外側ステータと、環状ヨークの内周側に向かい合って配置される内側励磁コイルを有する内側ステータと、を有し、駆動制御装置は、外側ステータの外側励磁コイルを駆動する外側駆動回路のみを駆動する外側駆動モードと、内側ステータの内側励磁コイルを駆動する内側駆動回路のみを駆動する内側駆動モードと、外側駆動回路と内側駆動回路を共に駆動する両側駆動モードとの間で駆動モードを切り替える駆動モード設定部を有することを特徴とする。

本発明に係る回転電機制御システムにおいて、環状ロータは、内側突極の総数よりも多い総数の外側突極を有し、制御装置は、回転電機に対し低回転数の運転が要求されるときに駆動モードを外側駆動モードとし、回転電機に対し中回転数から高回転数の運転が要求されるときに駆動モードを内側駆動モードとし、回転電機に対し広い回転数の範囲で高トルクの運転が要求されるときに駆動モードを両側駆動モードとすることが好ましい。

上記構成の磁石レス回転電機は、環状ロータの外周側と内周側のそれぞれにロータコイルを巻回されたロータ突極を設け、環状ロータの外周側に外側ステータ、内周側に内側ステータが配置される。これにより、環状ロータは外側ステータの間と内側ステータとの間でそれぞれトルクを発生させるので、磁石レス回転電機の出力が改善される。また、外側突極の総数と内側突極の総数が異なるので、外側ステータを用いるときの回転電機の特性と、内側ステータを用いるときの回転電機の特性とを異なるものとでき、これらの組み合わせによって、回転電機として広範囲での運転が可能となる。

また、磁石レス回転電機において、外側ステータと内側ステータでは周方向長さが前者の方が長いので、前者の方が突極数を増やしやすい。外側ステータの突極数を内側ステータの突極数より多くすることで、外側ステータ側の方が低回転数・高トルクの運転に向いており、内側ステータ側の方が高回転数の運転に向いている。外側ステータ側と内側ステータ側を共に駆動すると、広い回転数領域で高トルクの運転ができる。そこで、回転電機の運転が低回転数域では外側ステータ側を駆動し、中回転数から高回転数域では内側ステータ側を駆動し、広い回転数領域で高トルクが必要なときは、外側ステータ側と内側ステータ側を共に駆動することで、回転電機の運転範囲を広くすることができる。

本発明に係る実施の形態の磁石レス回転電機の構成図である。 図１において隣接する突極のそれぞれの巻線回路の構成図である。図２（ａ）は巻線図であり、（ｂ）は等価回路図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機制御システムの構成図である。 図３における３つの駆動モードのそれぞれのトルク−回転数特性を示す図である。 図３における両側駆動モードのときの磁石レス回転電機の磁束の流れを示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、磁石レス回転電機の環状ロータにおける外側突極の総数が内側突極の総数よりも多いものを述べるが、これは外側突極の総数と内側突極の総数が異なる例として示すもので、場合によっては、外側突極の総数を内側突極の総数よりも少なくしてもよい。以下で述べる極数、突極数等は、説明のための例示であり、磁石レス回転電機の仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、磁石レス回転電機１０の構成を示す図で、磁石レス回転電機１０の軸方向に垂直な断面図である。以下では、磁石レス回転電機１０を特に断らない限り回転電機１０と呼ぶ。

回転電機１０は、三相同期型回転電機で、磁極としての永久磁石を有しない。回転電機１０は、環状ロータ１２と、環状ロータ１２の外周側に向かい合って配置される外側ステータ１４と、環状ロータ１２の内周側に向かい合って配置される内側ステータ１６と、出力軸１８を含んで構成される。外側ステータ１４と内側ステータ１６は図示されていないモータケースに固定され、出力軸１８は、モータケースに回転可能に支持される。環状ロータ１２と出力軸１８は一体構造で、環状ロータ１２は外側ステータ１４と内側ステータ１６の間の空間を回転し、そのトルクは出力軸１８に出力される。

環状ロータ１２と外側ステータ１４とで１つの回転電機部を構成でき、環状ロータ１２と内周ステータ１６とでもう１つの回転電機部を構成できる。前者を外側回転電機部１３、後者を内側回転電機部１５と呼ぶと、回転電機１０は、１台で、外側回転電機部１３と内側回転電機部１５の２つの回転電機部を有する。外側回転電機部１３の極数は、内側回転電機部１５の極数よりも多い。図１の例では、外側回転電機部１３の極数は８、内側回転電機部１５の極数は４である。この極数は一例であって、これ以外の極数であってもよい。

図１に、外側回転電機部１３の１つの極の範囲をＡ−Ａ’で示し、内側回転電機部１５の１つの極の範囲をＡ−Ｂで示した。外側回転電機部１３の極数＝８であるので、Ａ−Ａ’の範囲の角度は４５度であり、内側回転電機部１５の極数＝４であるので、Ａ−Ｂの範囲の角度は９０度である。

環状ロータ１２は、環状のロータヨーク部２０、ロータヨーク部２０の外周側に沿って設けられる複数の外側突極２２、複数の外側突極２２のそれぞれに巻回される複数の外側ロータコイル２４、ロータヨーク部２０の内周側に沿って設けられる複数の内側突極２６、複数の内側突極２６のそれぞれに巻回される複数の内側ロータコイル２８を有する。外側ロータコイル２４、内側ロータコイル２８は、いずれも集中巻によって、外側突極２２、内側突極２６に巻回される。なお、外側ロータコイル２４、内側ロータコイル２８には、流れる電流の方向を決める整流素子が接続されて巻線回路を構成するが、その詳細は図２で説明することにし、図１では整流素子の図示を省略した。

周方向に沿って隣接する２つの外側突極２２で環状ロータ１２の１つの外側磁極対を形成する。外側回転電機部１３の極数が８であるので、外側突極２２の総数＝１６である。同様に、周方向に沿って隣接する２つの内側突極２６で環状ロータ１２の１つの内側磁極対を形成する。内側回転電機部１５の極数が４であるので、内側突極２６の総数＝８である。

外側ステータ１４は、環状の外側ステータヨーク部３０の内周側に沿って設けられる複数の外側ステータ突極３２と、複数の外側ステータ突極３２のそれぞれに巻回される複数の外側励磁コイル３４を有する。複数の外側ステータ突極３２は環状ロータ１２の外側突極２２に向かい合って配置される。

複数の外側励磁コイル３４は、Ｕ相巻線コイル、Ｖ相巻線コイル、Ｗ相巻線コイルで構成される。１つの極の範囲であるＡ−Ａ’の範囲に、３つの外側ステータ突極３２が配置される。１つの極の範囲の３つの外側ステータ突極３２は、Ｕ相巻線コイルが巻回されるＵ相突極とＶ相巻線コイルが巻回されるＶ相突極とＷ相巻線コイルが巻回されるＷ相突極である。図１のＡ−Ａ’の範囲の３つの外側ステータ突極３２に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の位置を示した。したがって、外側ステータ突極３２の総数は、環状ロータ１２の外側突極２２の総数の（３／２）倍で、２４個である。Ｕ相巻線コイル、Ｖ相巻線コイル、Ｗ相巻線コイルは、いずれも分布巻によって、Ｕ相突極、Ｖ相突極、Ｗ相突極に巻回される。

内側ステータ１６は、環状の内側ステータヨーク部４０の外周側に沿って設けられる複数の内側ステータ突極４２と、複数の内側ステータ突極４２のそれぞれに巻回される複数の内側励磁コイル４４を有する。複数の内側ステータ突極４２は環状ロータ１２の内側突極２６に向かい合って配置される。

複数の内側励磁コイル４４は、Ｕ相巻線コイル、Ｖ相巻線コイル、Ｗ相巻線コイルで構成される。１つの極の範囲であるＡ−Ｂの範囲に、３つの内側ステータ突極４２が配置される。１つの極の範囲の３つの内側ステータ突極４２は、Ｕ相巻線コイルが巻回されるＵ相突極とＶ相巻線コイルが巻回されるＶ相突極とＷ相巻線コイルが巻回されるＷ相突極である。図１のＡ−Ｂの範囲の３つの内側ステータ突極４２に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の位置を示した。したがって、内側ステータ突極４２の総数は、環状ロータ１２の内側突極２６の総数の（３／２）倍で、１２個である。Ｕ相巻線コイル、Ｖ相巻線コイル、Ｗ相巻線コイルは、いずれも分布巻によって、Ｕ相突極、Ｖ相突極、Ｗ相突極に巻回される。

環状ロータ１２の外側突極２２に巻回される外側ロータコイル２４には、外側ステータ１４の外側励磁コイル３４によって形成される界磁を受けて、誘導電流が生じる。この誘導電流によって外側突極２２が磁化され、磁極が形成される。形成された磁極と外側ステータ１４からの界磁との協働によって、環状ロータ１２は回転してトルクを発生する。同様に、環状ロータ１２の内側突極２６に巻回される内側ロータコイル２８には、内側ステータ１６の内側励磁コイル４４によって形成される界磁を受けて、誘導電流が生じる。この誘導電流によって内側突極２６が磁化され、磁極が形成される。形成された磁極と内側ステータ１６からの界磁との協働によって、環状ロータ１２は回転してトルクを発生する。

このようにして、環状ロータ１２には永久磁石が配置されないが、トルクが発生する。これが磁石レス回転電機１０のトルク発生原理である。

図２は、突極に関する巻線回路を示す図である。図２（ａ）は巻線図、（ｂ）は等価回路図である。ここでは、図１のＣで示した隣接する２つの外側突極２２についての巻線回路を示す。隣接する２つの内側突極２６についても同様の巻線回路となる。隣接する２つの外側突極２２を区別するため、一方側を外側突極２２とし、他方側を外側突極２３とする。２つの隣接する突極にそれぞれ巻回される外側ロータコイル２４を区別するため、外側突極２２に巻回される一方側のコイルを外側ロータコイル２４とし、外側突極２３に巻回される他方側のコイルを外側ロータコイル２５とする。

外側突極２２に関する巻線回路５０は、外側ロータコイル２４と、一方側の整流素子５２とが直列接続されて構成される。整流素子５２は、外側励磁コイル３４によって形成される界磁を受けて外側ロータコイル２４に流れる誘導電流Ｉ_D1の流れる方向を一方側方向に整流するダイオードである。同様に、外側突極２３に関する巻線回路５１は、外側ロータコイル２５と、他方側の整流素子５３とが直列接続されて構成される。整流素子５３は、外側励磁コイル３４によって形成される界磁を受けて外側ロータコイル２５に流れる誘導電流Ｉ_D2の流れる方向を他方側方向に整流するダイオードである。

図２（ａ）に示すように、外側突極２２，２３に巻回されるコイルの巻き方は同じで、整流素子であるダイオードの接続方向が互いに逆方向であることが相違する。これは、コイルに流れる誘導電流によって磁化される突極の磁極の向きが１つの磁極を構成する２つの突極の間で互いに逆方向とするためである。図２（ａ）の例では、外側突極２２は先端側がＮ極、根元側がＳ極であり、これに隣接する外側突極２３は先端側がＳ極、根元側がＮ極である。

このように、巻線回路５０と巻線回路５１では、整流素子であるダイオードの接続方向が互いに逆であることのみが相違点であるので、巻線回路５０に代表させてコイルと整流素子の接続関係を述べる。

外側突極２２に巻回される外側ロータコイル２４には整流素子５２が直列接続される。外側ロータコイル２４の両端子のうち、外側突極２２の先端側の端子は整流素子５２のアノードに接続され、外側突極２２の根元側の端子は整流素子５２のカソードに接続される。したがって、外側ロータコイル２４には、外側突極２２の根元側から先端側に向かって螺旋状に誘導電流Ｉ_D1が流れ、これによって、外側突極２２の先端側がＮ極、根元側がＳ極となるように磁化される。

図３は、ダブルステータ型の磁石レス回転電機１０の動作を制御する回転電機制御システム６０の構成図である。回転電機制御システム６０は、回転電機１０を走行駆動源とする車両に搭載される。車両は、回転電機１０とエンジンを走行駆動源とするハイブリッド車両である。エンジンを搭載しない電気自動車であってもよい。回転電機制御システム６０は、回転電機１０と、回転電機１０に接続される駆動回路部６２と、駆動回路部６２の動作を制御する駆動制御装置７０を含んで構成される。運転指令８０は、回転電機１０の運転に関する指令信号で、車両の運転者のアクセルペダルやブレーキ等の操作によって指示される運転要求や、車両の運転状況に応じて、車両の統括制御装置から駆動制御装置７０に伝送される。

駆動回路部６２は、電源６４と、外側回転電機部１３用の外側インバータ回路６６と、内側回転電機部１５用の内側インバータ回路６８を含んで構成される。外側インバータ回路６６と内側インバータ回路６８は共に三相インバータ回路で、複数のスイッチング素子と各スイッチング素子に逆接続される複数のダイオードを含んで構成される。外側インバータ回路６６と内側インバータ回路６８は、電源６４を共通にし、互いに並列関係で接続される直流交流変換回路である。

外側インバータ回路６６は、外側回転電機部１３を駆動するＵ相駆動信号、Ｖ相駆動信号、Ｗ相駆動信号が３本の動力線を用いて出力される。同様に内側インバータ回路６８は、内側回転電機部１５を駆動するＵ相駆動信号、Ｖ相駆動信号、Ｗ相駆動信号が３本の動力線を用いて出力される。

図３の回転電機１０における外側励磁コイル群３６は、外側回転電機部１３の外側励磁コイル３４におけるＵ相巻線コイルとＶ相巻線コイルとＷ相巻線コイルをＹ結線したものである。図１に示すように、外側励磁コイル３４のＵ相巻線コイル、Ｖ相巻線コイル、Ｗ相巻線コイルは、それぞれ極数分の８個ある。８個のＵ相巻線コイルは互いに直列接続され、一方端子がＵ相端子となって外側インバータ回路６６のＵ相駆動信号が出力されるＵ相動力線に接続され、他方端子は中立線接続端子となる。同様に、８個のＶ相巻線コイルは互いに直列接続され、一方端子がＶ相端子となって外側インバータ回路６６のＶ相駆動信号が出力されるＶ相動力線に接続され、他方端子は中立線接続端子となる。また、８個のＷ相巻線コイルは互いに直列接続され、一方端子がＷ相端子となって外側インバータ回路６６のＷ相駆動信号が出力されるＷ相動力線に接続され、他方端子は中立線接続端子となる。３つの中立線接続端子は互いに接続されて中性点Ｎを形成する。

同様に、内側励磁コイル群４６は、内側回転電機部１５の内側励磁コイル４４におけるＵ相巻線コイルとＶ相巻線コイルとＷ相巻線コイルをＹ結線したものである。内側励磁コイル４４のＵ相巻線コイル、Ｖ相巻線コイル、Ｗ相巻線コイルは、それぞれ極数分の４個ある。４個のＵ相巻線コイルは互いに直列接続され、一方端子がＵ相端子となって内側インバータ回路６８のＵ相駆動信号が出力されるＵ相動力線に接続され、他方端子は中立線接続端子となる。同様に、４個のＶ相巻線コイルは互いに直列接続され、一方端子がＶ相端子となって内側インバータ回路６８のＶ相駆動信号が出力されるＶ相動力線に接続され、他方端子は中立線接続端子となる。また、４個のＷ相巻線コイルは互いに直列接続され、一方端子がＷ相端子となって内側インバータ回路６８のＷ相駆動信号が出力されるＷ相動力線に接続され、他方端子は中立線接続端子となる。３つの中立線接続端子は互いに接続されて中性点Ｎを形成する。

このように、外側インバータ回路６６は、外側励磁コイル群３６を駆動する外側駆動回路であり、内側インバータ回路６８は、内側励磁コイル群４６を駆動する内側駆動回路である。

駆動制御装置７０は、駆動回路部６２の動作制御を通して、回転電機１０の動作を制御する制御装置である。かかる駆動制御装置７０は、車両搭載に適したコンピュータで構成される。駆動制御装置７０を車両の統括制御装置の一部として構成してもよい。

駆動制御装置７０は、特に、外側回転電機部１３と内側回転電機部１５の駆動制御を組み合わせた３つの駆動モードを、運転指令８０の内容に従って切り替える駆動モード設定部７２を有する。３つの駆動モードの１つ目は、外側励磁コイル群３６を駆動する外側インバータ回路６６のみを駆動する外側駆動モード７４である。２つ目は、内側励磁コイル群４６を駆動する内側インバータ回路６８のみを駆動する内側駆動モード７６である。３つ目は、外側インバータ回路６６と内側インバータ回路６８を共に駆動する両側駆動モード７８である。

図４は、それぞれの駆動モードにおける回転電機１０のトルク−回転数特性と、最適効率の領域を示す図である。回転電機１０のトルク−回転数特性とは、回転電機１０の運転可能領域を示すもので、トルク−回転数特性線と、トルク＝０の線と、回転数＝０の線で囲まれた領域内のトルクと回転数の組み合わせで運転できる。最適効率の領域とは、その運転可能領域の中で、損失等が最も少なく運転効率が高い領域である。

図４（ａ）は、外側駆動モード７４におけるトルク−回転数特性８２とその最適効率領域８３を示す図であり、（ｂ）は、内側駆動モード７６におけるトルク−回転数特性８４とその最適効率領域８５を示す図であり、（ｃ）は、両側駆動モード７８におけるトルク−回転数特性８６とその最適効率領域８７を示す図である。

外側駆動モード７４においては、外側回転電機部１３の外側ステータ１４における周方向長さが内側ステータ１６の周方向長さよりも長く、また外側回転電機部１３の極数も内側回転電機部１５の極数よりも多いので、回転数が上がりにくいがトルクを出しやすい。このことから、トルク−回転数特性８２は、低回転数における最大トルクが高く、最大回転数が低めに抑えられる特性となる。動作の最適効率領域８３は、低回転数で高トルクの領域となる。

内側駆動モード７６においては、内側回転電機部１５の内側ステータ１６における周方向長さが外側ステータ１４の周方向長さよりも短く、また内側回転電機部１５の極数も外側回転電機部１３の極数よりも少ないので、回転数を上げやすいがトルクがやや出しにくい。このことから、トルク−回転数特性８４は、低回転数における最大トルクが低く、最大回転数が高回転数側に延びる特性となる。動作の最適効率領域８５は、中回転数から高回転数で低めのトルクの領域となる。

両側駆動モード７８は、内側駆動モード７６に外側駆動モード７４が加算された特性となる。このことから、トルク−回転数特性８６は、低回転数から高回転数まで最大トルクが延びる特性となる。動作の最適効率領域８７は、広い回転数に渡って、最大トルクが高い領域となる。

駆動制御装置７０の駆動モード設定部７２は、運転指令８０の内容に従って、外側駆動モード７４、内側駆動モード７６、両側駆動モード７８のいずれか１を選択する。一例を上げると、運転指令８０の内容が、回転電機１０に対し低回転数の運転が要求されるときには、駆動モードを外側駆動モード７４とする。運転指令８０の内容が、回転電機１０に対し中回転数から高回転数の運転が要求されるときには、駆動モードを内側駆動モード７６とする。運転指令８０の内容が、回転電機１０に対し広い回転数の範囲で高トルクの運転が要求されるときには、駆動モードを両側駆動モード７８とする。

このように、回転電機が低回転数域では外側ステータ側を駆動し、中回転数から高回転数域では内側ステータ側を駆動し、広い回転数領域で高トルクが必要なときは、外側ステータ側と内側ステータ側を共に駆動することで、回転電機の運転範囲を広くすることができる。

外側駆動モード７４で回転電機１０が駆動されるときは、環状ロータ１２の外側突極２２に巻回される外側ロータコイル２４に誘導電流が生じて外側突極２２が磁化され、磁極が形成され、この形成された磁極と外側ステータ１４からの界磁との協働によって、回転電機１０は、回転してトルクを発生する。このとき、環状ロータ１２のロータヨーク部２０、外側突極２２、外側ステータ突極３２、外側ステータヨーク部３０の間に磁束が流れる。この磁束の流れ方は、従来技術の磁石レス回転電機が動作するときと同じである。

同様に、内側駆動モード７６で回転電機１０が駆動されるときは、環状ロータ１２のロータヨーク部２０、内側突極２６、内側ステータ突極４２、内側ステータヨーク部４０の間に磁束が流れるが、この磁束の流れ方も、従来技術の磁石レス回転電機が動作するときと同じである。

両側駆動モード７８で回転電機１０が駆動されるときの磁束の流れ方は、やや複雑である。図５は、両側駆動モード７８のときの磁束の流れ方を示す図である。この例では、環状ロータ１２の外側突極２２の総数は内側突極２６の総数の２倍であり、ロータヨーク部２０の周方向に沿って外側突極２２の位置は、１つおきに内側突極２６の位置と同じになる。図５において、３つ示される内側突極２６について、ロータヨーク部２０の周方向に沿って左側から右側に向かって、（１）から（３）の符号を付した。内側突極２６先端側の極性は、（１）がＮ、（２）がＳ、（３）がＮである。同様に、図５において、５つ示される外側突極２２について、ロータヨーク部２０の周方向に沿って左側から右側に向かって、（１）から（５）の符号を付した。外側突極２２の先端側の極性は、（１）がＳ、（２）がＮ、（３）がＳ、（４）がＮ、（５）がＳである。

図５において、（１）の内側突極２６と（１）の外側突極２２のロータヨーク部２０の周方向に沿った位置は一致し、そのときの外側突極２２の磁極の極性と内側突極２６の磁極の極性は、外径側から内径側に向かってＳ−Ｎ−Ｓ−Ｎとなり、磁束は、外側ステータ１４の側から（１）の外側突極２２と（１）の内側突極２６を通って、内側ステータ１６に流れる。

内側ステータ１６に流れ込んだ磁束は、内側ステータヨーク部４０を通り、（２）の内側突極２６に流れ込む。図５において、（２）の内側突極２６と（３）の外側突極２２のロータヨーク部２０の周方向に沿った位置も一致するが、そのときの（３）の外側突極２２の先端側の極性はＮであり、（２）の内側突極２６の先端側の極性もＮである。したがって、内側ステータ１６側から（２）の内側突極２６に流れ込んだ磁束は、（３）の外側突極２２に流れず、（２）の外側突極２２と（４）の外側突極２２に向かって分かれて流れる。（２）の外側突極２２に流れ込んだ磁束は、外側ステータ１４の外側ステータヨーク部３０に流れ込む。外側ステータヨーク部３０に流れ込んだ磁束は、外側ステータヨーク部３０を経て、再び（１）の外側突極２２に流れる。このようにして、外側ステータ１４側から内側ステータ側１６を経由して再び外側ステータ１４側に磁束が流れるループが形成される。

これと共に、（３）の外側突極２２には外側ステータ１４側から磁束が流れ込むが、その磁束も（２）の内側突極２６に流れ込むことができず、（２）の外側突極２２と（４）の外側突極２２に向かって分かれて流れる。（２）の外側突極２２に流れ込んだ磁束は、外側ステータ１４の外側ステータヨーク部３０に流れ込む。外側ステータヨーク部３０に流れ込んだ磁束は、外側ステータヨーク部３０を経て、再び（３）の外側突極２２に流れる。このようにして、外側ステータ１４側から環状ロータ１２を経由して再び外側ステータ１４側に磁束が流れるループが形成される。

両側駆動モード７８においては、このようにして形成された２つの磁束のループによって環状ロータ１２が図５において白抜き矢印で示した方向に回転し、回転電機１０は、図４（ｃ）に示すトルク−回転数特性８６で示される最適効率領域８７の中で運転される。

上記構成の回転電機１０によれば、最大トルクは、外側ステータ１４、内側ステータ１６を共に駆動したときで、外側ステータ１４による最大トルクと内側ステータ１６の最大トルクを加算した値となり、最大トルクが上昇する。したがって、上昇したトルクを従来の定格値で維持するようにすると、最大電流を低減できるので、ロータコイルの銅損を低減できる。このように、回転電機１０の出力を向上させることができる。また、回転電機１０の体格を小型化できる。

また、回転電機１０の環状ロータにおける外側突極の総数と内側突極の総数を異ならせているので、外側回転電機部の特性と内側回転電機部の特性を異なったものに設定でき、この組み合わせによって、回転電機１０の運転領域を広げることができる。さらに、外側突極の総数を内側突極の総数より多くすることで、低回転数領域では外側回転電機部を駆動させ、中回転数から高回転数の領域では内側回転電機部を駆動させ、広い回転数領域で高トルクが必要なときは外側回転電機部と内側回転電機部の両方を駆動させるものとでき、広い回転電機運転領域を得ることができる。

また、内側回転電機部１５のステータ極数とロータ極数を少なくするので、コイルスペースが広く取れ、内側回転電機部１５において低損失かつ高い電磁力を発生させることができる。

また、高回転数領域では内側回転電機部１５を駆動させるので、磁極数を少なくでき、かつロータ巻線による起磁力を制御できる。例えば、ロータ巻線の起磁力を低く抑える制御を行うことで、磁石で磁極を形成する回転電機に比べ、高回転数下における弱め界磁電流を低減でき、効率を改善できる。

なお、永久磁石をロータ磁極に用いるダブルステータ型の回転電機においては、特許文献２に示されるように、外側ステータの極数と内側ステータの極数を同じとし、１つの永久磁石からの磁束を外側ステータ側と内側ステータ側に並列に供給する。これを発展させて外側ステータの極数と内側ステータの極数を異ならせようとして、例えば、外側ステータ用の永久磁石の総数と内側ステータ用の永久磁石の総数を異ならせると、１つの環状ロータにおける永久磁石の配置等が複雑になる。磁石レス回転電機によれば、永久磁石を用いないので、図１に示すように簡単な構成とできる。

１０ （磁石レス）回転電機、１２ 環状ロータ、１３ 外側回転電機部、１４ 外側ステータ、１５ 内側回転電機部、１６ 内側ステータ、１８ 出力軸、２０ ロータヨーク部、２２，２３ 外側突極、２４，２５ 外側ロータコイル、２６ 内側突極、２８ 内側ロータコイル、３０ 外側ステータヨーク部、３２ 外側ステータ突極、３４ 外側励磁コイル、３６ 外側励磁コイル群、４０ 内側ステータヨーク部、４２ 内側ステータ突極、４４ 内側励磁コイル、４６ 内側励磁コイル群、５０，５１ 巻線回路、５２，５３ 整流素子、６０ 回転電機制御システム、６２ 駆動回路部、６４ 電源、６６ 外側インバータ回路、６８ 内側インバータ回路、７０ 駆動制御装置、７２ 駆動モード設定部、７４ 外側駆動モード、７６ 内側駆動モード、７８ 両側駆動モード、８０ 運転指令、８２，８４，８６ トルク−回転数特性、８３，８５，８７ 最適効率領域。

Claims (4)

1. 環状のロータヨーク部、ロータヨーク部の外周側に沿って設けられる複数の外側突極、複数の外側突極のそれぞれに巻回される複数の外側ロータコイル、ロータヨーク部の内周側に沿って設けられる内側突極、及び複数の内側突極のそれぞれに巻回される複数の内側ロータコイルを有する環状ロータと、
   環状ロータの外周側に向かい合って配置される外側励磁コイルを有する外側ステータと、
   環状ヨークの内周側に向かい合って配置される内側励磁コイルを有する内側ステータと、
   を備え、
   環状ロータは、
   複数の外側突極と複数の内側突極のそれぞれにおいて、
   隣接する突極の一方側突極に一方側コイルが巻回され、
   隣接する突極の他方側突極に他方側コイルが巻回され、
   一方側コイルに誘起される誘起電流によって磁化される磁極の向きを一方側とする一方側整流素子と、
   他方側コイルに誘起される誘起電流によって磁化される他方側突極の磁極の向きを一方側突極の磁極の向きと反対側とする他方側整流素子と、
   を有し、
   外側突極の総数と内側突極の総数が異なることを特徴とする磁石レス回転電機。
2. 請求項１に記載の磁石レス回転電機において、
   外側突極の総数は、内側突極の総数よりも多いことを特徴とする磁石レス回転電機。
3. 環状ロータに対し外周側に配置される外側ステータと内周側に配置される内側ステータとを含む回転電機と、
   駆動制御装置と、
   を備え、
   回転電機は、
   環状のロータヨーク部、ロータヨーク部の外周側に沿って設けられる複数の外側突極、複数の外側突極のそれぞれに巻回される複数の外側ロータコイル、ロータヨーク部の内周側に沿って設けられる内側突極、及び複数の内側突極のそれぞれに巻回される複数の内側ロータコイルを有し、外側突極の総数と内側突極の総数が異なる環状ロータと、
   環状ロータの外側ロータコイルに流れる電流の方向がロータヨーク部の外周方向に沿って隣接する２つの外側ロータコイルの間で互いに逆方向とする外側整流素子と、
   環状ロータの内側ロータコイルに流れる電流の方向がロータヨーク部の内周方向に沿って隣接する２つの内側ロータコイルの間で互いに逆方向とする内側整流素子と、
   環状ロータの外周側に向かい合って配置される外側励磁コイルを有する外側ステータと、
   環状ヨークの内周側に向かい合って配置される内側励磁コイルを有する内側ステータと、
   を有し、
   駆動制御装置は、
   外側ステータの外側励磁コイルを駆動する外側駆動回路のみを駆動する外側駆動モードと、
   内側ステータの内側励磁コイルを駆動する内側駆動回路のみを駆動する内側駆動モードと、
   外側駆動回路と内側駆動回路を共に駆動する両側駆動モードとの間で駆動モードを切り替える駆動モード設定部を有することを特徴とする回転電機制御システム。
4. 請求項３に記載の回転電機制御システムにおいて、
   環状ロータは、内側突極の総数よりも多い総数の外側突極を有し、
   制御装置は、
   回転電機に対し低回転数の運転が要求されるときに駆動モードを外側駆動モードとし、
   回転電機に対し中回転数から高回転数の運転が要求されるときに駆動モードを内側駆動モードとし、
   回転電機に対し広い回転数の範囲で高トルクの運転が要求されるときに駆動モードを両側駆動モードとすることを特徴とする回転電機制御システム。

Images