JP3506084B2 - 複合回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１つのステータで
２つのロータを駆動する複合回転電機、２つのロータを
縦列接続する複合回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、１つのステータで２つのロータを
駆動する複合回転電機としては、特願平１０−３２３３
４２号に記載の「回転電機」が提案されている。従来の
複合回転電機では、図１４に示すように、内側ロータ２
０３と外側ロータ２０５にそれぞれ極対数の異なる永久
磁石を埋め込んで構成し、それぞれのロータを独立に制
御するために、ステータ２０７を構成する複数の単一コ
イル２０９にそれぞれ独立に正弦波関数で表される駆動
電流を与えていた。詳しくは、２つのロータのトルク制
御は、それぞれ全く独立に制御されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ステー
タに発生するインダクタンスの空間分布は、大きく歪ん
でおり、２つのロータの磁束分電流を制御することで界
磁制御を行おうとしても、無励磁分のリラクタンストル
クによるトルク変動が大きくなり、実際には回転電機の
動作範囲が狭まることが考えられる。また、回転時は、
２つのロータ上に埋め込まれた永久磁石同士が互いに対
向する位置になると、永久磁石の減磁作用を促進して劣
化させることになった。

【０００４】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的としては、無励磁分のリラクタンストルクによ
るトルク変動を低減できて動作範囲が広くなり、かつ、
ロータに用いる永久磁石の劣化を防止することができる
複合回転電機を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、ステータの内周及び外周に設
けられ異なる回転軸に接続された２つのロータからなる
三重構造を備え、前記ステータに、前記２つのロータに
対して別々の回転磁場を発生させる共通のコイルを形成
し、前記共通のコイルに、前記ロータの数と同数の回転
磁場が発生するように、各ロータに対応する電流を加え
合わせた複合電流を流すようにした複合回転電機におい
て、前記２つのロータのうちの少なくとも一方は、少な
くとも１対以上の界磁巻線が等分に配列されており、且
つ、リラクタンストルクによるトルク変動を低減するよ
うに、前記界磁巻線に流す電流値を制御することを要旨
とする。

【０００６】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記界磁巻線は、前記ロータの回転軸に設けら
れたスリップリングに接続されることを要旨とする。

【０００７】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記界磁巻線は、前記ロータ上で発生する極対
数の組み合わせを変更可能であることを要旨とする。

【０００８】 請求項４記載の発明は、上記課題を解決
するため、ステータの内周及び外周に設けられ異なる回
転軸に接続された内側ロータと外側ロータからなる三重
構造を備え、前記ステータに、前記２つのロータに対し
て別々の回転磁場を発生させる共通のコイルを形成し、
前記共通のコイルに、前記内側ロータと外側ロータの数
と同数の回転磁場が発生するように、各ロータに対応す
る電流を加え合わせた複合電流を流すようにした複合回
転電機において、前記外側ロータは、回転軸方向に対し
てクロー型形状をなす磁性体からなり、外側ロータの両
端部に１対の界磁巻線を設け、且つ、リラクタンストル
クによるトルク変動を低減するように、前記１対の界磁
巻線に流す電流値を制御することを要旨とする。

【０００９】 請求項５記載の発明は、上記課題を解決
するため、ステータの外周に設けられ回転軸に接続され
た外側ロータを有する２つの回転電機をそれぞれ独立し
て回転可能に縦列接続し、前記ステータに、２つの外側
ロータに対して別々の回転磁場を発生させる共通のコイ
ルを形成し、前記共通のコイルに、前記外側ロータの数
と同数の回転磁場が発生するように、各外側ロータに対
応する電流を加え合わせた複合電流を流すようにした複
合回転電機において、前記外側ロータは、回転軸方向に
対してクロー型形状をなす磁性体からなり、縦列接続さ
れた外側ロータの外周の両端部に１対の界磁巻線を設
け、且つ、リラクタンストルクによるトルク変動を低減
するように、前記１対の界磁巻線に流す電流値を制御す
ることを要旨とする。

【００１０】 請求項６記載の発明は、上記課題を解決
するため、前記界磁巻線に直流電力を供給する直流電源
を有することを要旨とする。

【００１１】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、ステー
タの内周及び外周に設けられ異なる回転軸に接続された
２つのロータからなる三重構造を備え、ステータに、２
つのロータに対して別々の回転磁場を発生させる共通の
コイルを形成し、該共通のコイルにロータの数と同数の
回転磁場が発生するように、各ロータに対応する電流を
加え合わせた複合電流を流すようにしておき、少なくと
も１つ以上のロータは、少なくとも１対以上の界磁巻線
が等分に配置されるので、当該ロータ上の界磁巻線から
制御可能な磁界を発生させることができ、無励磁分のリ
ラクタンストルクによるトルク変動を低減できて動作範
囲が広くすることができる。

【００１２】また、請求項２記載の本発明によれば、界
磁巻線は、ロータの回転軸に設けられたスリップリング
に接続されることで、回転中の界磁巻線に界磁電流を供
給することができる。

【００１３】また、請求項３記載の本発明によれば、界
磁巻線は、ロータ上で発生する極対数の組み合わせを変
更可能であるので、２つのロータを全く同一の回転特性
で作動させる場合でも、極めて低損失で作動させること
ができる。また、無励磁分のリラクタンストルクによる
トルク変動を低減して動作範囲を拡大することができ、
かつ、ロータに設けられた永久磁石の劣化を防止するこ
とができる。

【００１４】また、請求項４記載の本発明によれば、外
側ロータは、回転軸方向に対してクロー型形状をなす磁
性体からなり、外側ロータの外周の両端部に１対の界磁
巻線を有することで、１対の界磁巻線に界磁電流を供給
して磁性体を励磁するので回転軸方向に１対の磁極を形
成でき、さらに、この磁性体がクロー型形状をなすの
で、外側ロータ上に磁極を形成することができる。この
結果、無励磁分のリラクタンストルクによるトルク変動
を低減できて動作範囲が広くすることができる。

【００１５】また、請求項５記載の本発明によれば、外
側ロータは、回転軸方向に対してクロー型形状をなす磁
性体からなり、縦列接続された外側ロータの外周の両端
部に１対の界磁巻線を有することで、１対の界磁巻線に
界磁電流を供給して磁性体を励磁するので回転軸方向に
各外側ロータ上に１対の磁極を形成でき、さらに、この
磁性体がクロー型形状をなすので、各外側ロータ上に磁
極を形成することができる。この結果、無励磁分のリラ
クタンストルクによるトルク変動を低減できて動作範囲
が広くすることができる。

【００１６】 また、請求項６記載の本発明によれば、
界磁巻線に直流電力を供給する直流電源を有すること
で、回転電機の運転時にのみ界磁巻線を励磁することが
でき、ロータに用いる永久磁石の劣化を防止することが
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。 （第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形
態に係る複合回転電機１の構成を示す断面図である。同
図において、複合回転電機１は、複数の単一コイル（以
下、コイルという）からなるステータ３と、円筒状のス
テータ３の外周と内周に所定のギャップをおいて外側ロ
ータ５と内側ロータ７が配置されて三重構造を備え、外
側ロータ５と内側ロータ７は、被覆する外枠に対して回
転可能に設けられている。

【００１８】 内側ロータ７は、半周毎に内側界磁巻線
Ｌｉ１，Ｌｉ２からなる一対の凸極が形成されており、
一方、外側ロータ５は、内側ロータ７の一極当たり２倍
の極数を持つように外側界磁巻線Ｌｏ１〜Ｌｏ４からな
る２対の凸極が配置されている。ステータ３は、外側ロ
ータ５の１磁極当たり３個のコイル９で構成され、合計
１２個（＝３×４）のコイル９が同一の円周上に等分に
配置されている。なお、１１はコイルが巻回されるコア
で、コイル９と同数のコア１１が円周上に等分に所定の
間隔（ギャップ）１３をおいて配列されている。

【００１９】次に、図２は、複合回転電機１の内側回転
軸１５の構成を示す図である。同図において、内側回転
軸１５には、直列に接続された内側界磁巻線Ｌｉ１，Ｌ
ｉ２に後述する昇降圧チョッパから電源を供給するため
のスリップリングＳＬ１，ＳＬ２が接続されている。

【００２０】次に、図３は、複合回転電機１の外側回転
軸１７の構成を示す図である。同図において、外側回転
軸１７には、直列に接続された外側界磁巻線Ｌｏ１〜Ｌ
ｏ４に後述する昇降圧チョッパから電源を供給するため
のスリップリングＳＬ３，ＳＬ４が接続されている。

【００２１】 次に、図４は、複合回転電機１の側面断
面図と複合回転電機１を制御するための制御装置２４を
示すブロック図である。複合回転電機１には、各ロータ
５，７をそれぞれ同期回転させるため、各ロータ５，７
の各回転位相θｏ，θｉで表されるロータ位置を検出す
る外側ロータ位置センサ２１、内側ロータ位置センサ２
３が設けられ、これらセンサ２１，２３からのパルス信
号がステータ制御部２５に入力される。

【００２２】ステータ制御部２５は、外側ロータ５、内
側ロータ７に対して与えられた外側トルク指令値Ｔｏ及
び内側トルク指令値Ｔｉと、外側ロータ５及び内側ロー
タ７のロータ位置θｏ，θｉに基づいて、外側ロータ５
及び内側ロータ７とステータ３との間でそれぞれ回転磁
界が発生するように複合電流指令値としてＰＷＭ信号を
発生する。また、ステータ制御部２５は、各相出力電流
ｉ1 〜ｉ12に基づいてｑ軸電流ｉq を算出し、内側ロー
タ制御部３３および外側ロータ制御部３９に与える。

【００２３】 多相インバータ２７は、ステータ制御部
２５から与えられるＰＷＭ信号に基づいて、バッテリ２
９から供給される直流電流を交流電流に変換し、ステー
タ３に設けられたコイル９に複合電流Ｉ１〜Ｉ１２を供
給する。この複合電流Ｉ１〜Ｉ１２の瞬時電流の全ての
和は０になるため、このインバータ２７は、通常の３相
ブリッジ型インバータを１２相に構成したものと同等で
あり、２４個のトランジスタと同数のダイオードから構
成されている。また、各相のブリッジ型インバータの出
力端子には、それぞれ電流センサが設けられており、こ
の出力電流ｉ１ 〜ｉ１２をステータ制御部２５に出力
している。

【００２４】電流センサ３１は、昇降圧チョッパ３５か
らブラシＢｒ１，Ｂｒ２、スリップリングＳＬ１、ＳＬ
２を介して内側ロータ７に設けられた内側界磁巻線Ｌｉ
１，Ｌｉ２に供給される電流ｉfiを検出する。内側ロー
タ制御部３３は、電流センサ３１で検出された電流ｉfi
と、ステータ制御部２５で算出されたｑ軸電流ｉq に基
づいて、指令界磁電流ｉfiを算出し、さらに、この指令
界磁電流ｉfiをＯＮ／ＯＦＦデューティＴon，Ｔoff に
変換して昇降圧チョッパ３５に出力する。

【００２５】昇降圧チョッパ３５は、内側ロータ制御部
３３から与えられたＯＮ／ＯＦＦデューティＴon，Ｔof
f に応じて内部に設けられた複数のトランジスタを制御
し、バッテリ２９から供給される電圧に対して昇圧動作
または降圧動作して、出力電流をスリップリングＳＬ
１，ＳＬ２を介して内側ロータ７に設けられた内側界磁
巻線Ｌｉ１，Ｌｉ２に供給する。なお、電流センサ３
７、外側ロータ制御部３９、昇降圧チョッパ４１の構成
は、上述した電流センサ３１、外側ロータ制御部３３、
昇降圧チョッパ３５の構成とそれぞれ同様であるので、
その説明を省略することとする。

【００２６】次に、図４を参照して、複合回転電機１と
制御装置２４の動作を説明する。

【００２７】まず、起動時には、内側ロータ制御部３３
は、指令界磁電流ｉfiに対して予め定められた初期値を
設定し、さらに、この指令界磁電流ｉfiをＯＮ／ＯＦＦ
デューティＴon，Ｔoff に変換して昇降圧チョッパ３５
に出力する。

【００２８】そして、昇降圧チョッパ３５は、内側ロー
タ制御部３３から与えられたＯＮ／ＯＦＦデューティＴ
on，Ｔoff に応じて内部に設けられた複数のトランジス
タを制御し、バッテリ２９から供給される電圧に対して
昇圧動作または降圧動作して、出力電流をブラシＢｒ
１，Ｂｒ２、スリップリングＳＬ１，ＳＬ２を介して内
側ロータ７に設けられた内側界磁巻線Ｌｉ１，Ｌｉ２に
供給する。この結果、内側ロータ７に設けられた内側界
磁巻線Ｌｉ１，Ｌｉ２に電流が供給され、それぞれの界
磁巻線が例えばＳ極，Ｎ極に励磁される。

【００２９】同様に、起動時には、外側ロータ制御部３
９は、指令界磁電流ｉfoに対して予め定められた初期値
を設定し、さらに、この指令界磁電流ｉfoをＯＮ／ＯＦ
ＦデューティＴon，Ｔoff に変換して昇降圧チョッパ４
１に出力する。

【００３０】そして、昇降圧チョッパ４１は、外側ロー
タ制御部３９から与えられたＯＮ／ＯＦＦデューティＴ
on，Ｔoff に応じて内部に設けられた複数のトランジス
タを制御し、バッテリ２９から供給される電圧に対して
昇圧動作または降圧動作して、出力電流をブラシＢｒ
３，Ｂｒ４、スリップリングＳＬ３，ＳＬ４を介して外
側ロータ５に設けられた外側界磁巻線Ｌｏ１〜Ｌｏ４に
供給する。この結果、外側ロータ５に設けられた外側界
磁巻線Ｌｏ１〜Ｌｏ４に電流が供給され、それぞれの界
磁巻線が例えばＳ極，Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極に励磁される。

【００３１】同時に、ステータ制御部２５は、外側ロー
タ５、内側ロータ７に対して与えられた外側トルク指令
値Ｔｏ及び内側トルク指令値Ｔｉと、外側ロータ５及び
内側ロータ７のロータ位置θｏ，θｉに基づいて、外側
ロータ５及び内側ロータ７とステータ３との間でそれぞ
れ回転磁界が発生するように複合電流指令値としてＰＷ
Ｍ信号を発生する。

【００３２】 そして、多相インバータ２７は、ステー
タ制御部２５から与えられるＰＷＭ信号に基づいて、バ
ッテリ２９から供給される直流電流を交流電流に変換
し、ステータ３に設けられたコイル９に複合電流Ｉ１〜
Ｉ１２を供給する。この結果、それぞれ励磁された外側
ロータ５及び内側ロータ７とステータ３との間でそれぞ
れ回転磁界が発生され、外側ロータ５及び内側ロータ７
がそれぞれ回転を開始する。

【００３３】ここで、多相インバータ２７に設けられた
各相のブリッジ型インバータの出力端子には、それぞれ
電流センサが設けられているので、これらの電流センサ
から出力電流ｉ1 〜ｉ12がステータ制御部２５に出力さ
れる。そして、ステータ制御部２５は、各相出力電流ｉ
1 〜ｉ12に基づいてｑ軸電流ｉq を算出し、内側ロータ
制御部３３および外側ロータ制御部３９に与える。な
お、磁極方向に平行なｄ軸に対して、磁極方向に直交す
るｑ軸についてｑ軸電流ｉｑを算出することとする。

【００３４】そして、内側ロータ制御部３３は、電流セ
ンサ３１で検出された電流ｉfiと、ステータ制御部２５
で算出されたｑ軸電流ｉq に基づいて、内側ロータ７の
実際のトルクτi を求める。

【数１】τi ∝ｉfi×ｉq そして、内側ロータ７に対して与えられた内側トルク指
令値Ｔｉに実際のトルクτi がなるような指令界磁電流
ｉfiを算出し、さらに、この指令界磁電流ｉfiをＯＮ／
ＯＦＦデューティＴon，Ｔoff に変換して昇降圧チョッ
パ３５に出力する。そして、昇降圧チョッパ３５から内
側ロータ７に設けられた内側界磁巻線Ｌｉ１〜Ｌｉ４に
電流が供給され、それぞれの界磁巻線による磁界が変更
され、この結果、内側ロータ７は内側トルク指令値Ｔｉ
に応じて回転するようになる。

【００３５】また、外側ロータ制御部３９は、電流セン
サ３７で検出された電流ｉfoと、ステータ制御部２５で
算出されたｑ軸電流ｉq に基づいて、外側ロータ５の実
際のトルクτo を求める。

【００３６】

【数２】τo ∝ｉfo×ｉq そして、外側ロータ５に対して与えられた外側トルク指
令値Ｔoに実際のトルクτo がなるような指令界磁電流
ｉfoを算出し、さらに、この指令界磁電流ｉfoをＯＮ／
ＯＦＦデューティＴon，Ｔoff に変換して昇降圧チョッ
パ４１に出力する。そして、昇降圧チョッパ４１から外
側ロータ５に設けられた外側界磁巻線Ｌｏ１〜Ｌｏ４に
電流が供給され、それぞれの界磁巻線による磁界が変更
され、この結果、外側ロータ５は外側トルク指令値Ｔo
に応じて回転するようになる。

【００３７】 本発明の第１の実施の形態に関する効果
としては、少なくとも１つ以上のロータは、界磁巻線を
有することで、当該ロータ上の界磁巻線から制御可能な
磁界を発生させることができ、無励磁分のリラクタンス
トルクによるトルク変動を低減できて動作範囲を広くす
ることができる。また、界磁巻線は、ロータの回転軸に
設けられたスリップリングに接続されることで、回転中
の界磁巻線に界磁電流を供給することができる。

【００３８】（第２の実施の形態）図５は、本発明の第
２の実施の形態に係る複合回転電機５１の構成を示す断
面図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第
１の実施の形態に対応する複合回転電機１と同様の基本
的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を
付し、その説明を省略することとする。

【００３９】 同図において、複合回転電機５１は、複
数の単一コイル（以下、コイルという）からなるステー
タ３と、円筒状のステータ３の外周と内周に所定のギャ
ップをおいて外側ロータ５５と内側ロータ５７が配置さ
れて三重構造を備え、外側ロータ５５と内側ロータ５７
は、被覆する外枠に対して回転可能に設けられている。
内側ロータ５７は、２対の永久磁石から形成されてお
り、一方、外側ロータ５５は、８対の永久磁石と外側界
磁巻線Ｌｏ１〜Ｌｏ４からなる凸極が配置されている。

【００４０】次に、図６は、複合回転電機５１の外側回
転軸５９の構成を示す図である。

【００４１】同図において、外側回転軸５９には、直列
に接続された外側界磁巻線Ｌｏ１，Ｌｏ３に後述する昇
降圧チョッパから電源を供給するためのスリップリング
ＳＬ１，ＳＬ２が接続されており、直列に接続された外
側界磁巻線Ｌｏ２，Ｌｏ４に後述する昇降圧チョッパか
ら電源を供給するためのスリップリングＳＬ３，ＳＬ４
が接続されている。従って、外側界磁巻線Ｌｏ１，Ｌｏ
３は同一極性に励磁されることとなり、また、外側界磁
巻線Ｌｏ２，Ｌｏ４は同一極性に励磁されることとな
る。

【００４２】次に、図７は、複合回転電機５１の側面断
面図と複合回転電機５１を制御するための制御装置６１
を示すブロック図である。ＳＷ１は、各外側界磁巻線に
加えられる電圧の極性の組み合わせを切り替えるための
スイッチである。

【００４３】接続部６３は、昇降圧チョッパ４１とブラ
シＢｒ１〜Ｂｒ４との間に設けられ、ＳＷ１の設定状態
に応じて外側ロータ５５の各外側界磁巻線に加えられる
電圧の極性を切り替える。

【００４４】ここで、図８を参照して、ＳＷ１の設定状
態と外側ロータ５５の各外側界磁巻線に加えられる電圧
の極性との関係を説明する。ＳＷ１がオープン状態とな
り論理（１）となった場合、接続部６３からブラシＢｒ
１〜Ｂｒ４に出力される電圧の極性は、図８に示すよう
なる。この結果、外側界磁巻線Ｌｏ１〜Ｌｏ４は、それ
ぞれＳ極，Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極に励磁される。ここで、外
側界磁巻線Ｌｏ１〜Ｌｏ４の両隣の永久磁石は、それぞ
れＳ極，Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極の磁極性を有するので、外側
ロータ５５の極対数は４極対となる。

【００４５】一方、ＳＷ１が接地状態となり論理（０）
となった場合、接続部６３からブラシＢｒ１〜Ｂｒ４に
出力される電圧の極性は、図８に示すようなる。この結
果、外側界磁巻線Ｌｏ１〜Ｌｏ４は、それぞれＮ極，Ｓ
極，Ｎ極，Ｓ極に励磁される。ここで、外側界磁巻線Ｌ
ｏ１〜Ｌｏ４の両隣の永久磁石は、それぞれＳ極，Ｎ
極，Ｓ極，Ｎ極の磁極性を有するので、外側ロータ５５
の極対数は１２極対となる。

【００４６】なお、複合回転電機５１と制御装置６１の
動作説明については、第１の実施の形態において説明し
た複合回転電機１と制御装置２４の動作と同様であるの
で、その説明を省略することとする。また、第２の実施
の形態においては、外側ロータ５５に設けられた外側界
磁巻線の極対数を変更する場合について説明したが、本
発明はこのような場合に限られることなく、例えば内側
ロータ５７に内側界磁巻線を設けて、同様にして極対数
を変更するように構成してもよい。

【００４７】本発明の第２の実施の形態に関する効果と
しては、ロータ上に設けられた界磁巻線は、ロータの回
転軸に設けられたスリップリングに接続されることで、
回転中の界磁巻線に界磁電流を供給することができる。

【００４８】また、ロータ上に設けられた界磁巻線は、
ロータ上で発生する極対数の組み合わせを変更可能であ
るので、２つのロータを全く同一の回転特性で作動させ
る場合でも、極めて低損失で作動させることができる。
さらに、無励磁分のリラクタンストルクによるトルク変
動を低減して動作範囲を拡大することができ、かつ、ロ
ータに設けられた永久磁石の劣化を防止することができ
る。

【００４９】（第３の実施の形態）図９は、本発明の第
３の実施の形態に係る複合回転電機７１の構成を示す断
面図である。なお、第３の実施の形態は、図１に示す第
１の実施の形態に対応する複合回転電機１と同様の基本
的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を
付し、その説明を省略することとする。

【００５０】 同図において、複合回転電機７１は、複
数の単一コイル（以下、コイルという）からなるステー
タ３と、円筒状のステータ３の外周と内周に所定のギャ
ップをおいて外側ロータ７５，７７と内側ロータ７３が
配置されて三重構造を備え、外側ロータ７５，７７と内
側ロータ７３は、回転可能に設けられている。

【００５１】内側ロータ７３は、１対の永久磁石から形
成されており、一方、外側ロータ７５，７７は、６対の
磁性体Ａ，Ａ’が配置されている。

【００５２】次に、図１０は、複合回転電機７１の回転
軸方向の断面図である。外側ロータ７５，７７に配置さ
れている６対の磁性体Ａ，Ａ’は、それぞれ櫛形の凸部
と凹部が交互に設けられており、外側ロータ７５，７７
のそれぞれの凸部と凹部が交互に磁気的に無影響な程度
のギャップを開けて配置されるクロー型形状を成してい
る。また、ステータ３と外側ロータ７５，７７との間に
は、磁気的に影響される程度の狭いギャップが開けてあ
る。

【００５３】次に、図１１は、複合回転電機７１の側面
断面図と複合回転電機７１を制御するための制御装置８
３を示すブロック図である。ステータ３は、ケース（図
示せず）に固定されており、ステータ３の内部に設けら
れたコイル９はそれぞれ多相インバータ２７の出力端子
に接続されている。また、内側ロータ７３の回転軸は、
ベアリング７９ａ，８１ａを介してステータ３に回転自
在に支えられている。同様に、外側ロータ７５，７７の
回転軸は、ベアリング７９ｂ，８１ｂを介してステータ
３に回転自在に支えられている。なお、外側ロータ７
５，７７の回転軸は、図示しないベアリングを介してケ
ース（図示せず）に回転自在に支えられていることとす
る。

【００５４】励磁巻線Ｌ１１，Ｌ１２は、外側ロータ７
５，７７の外周に配置されている１対のコイルであり、
励磁巻線Ｌ１１，Ｌ１２は昇降圧チョッパ４１に接続さ
れている。励磁巻線制御部８５は、電流センサ３７で検
出された電流ｉfoと、ステータ制御部２５で算出された
ｑ軸電流ｉq に基づいて、指令界磁電流ｉfoを算出し、
さらに、この指令界磁電流ｉfoをＯＮ／ＯＦＦデューテ
ィＴon，Ｔoff に変換して昇降圧チョッパ４１に出力す
る。

【００５５】 次に、図１０を参照して、複合回転電機
７１上に設けられた外側ロータ７５，７７での磁束の流
れ方向を説明する。図１０に示すように、励磁巻線Ｌ１
１，Ｌ１２に昇降圧チョッパ４１から励磁電流が加えら
れると、それぞれ励磁して矢印方向の磁束が発生する。
界磁巻線Ｌ１１で発生された磁束は、外側ロータ７５、
外側ロータ７５とステータ３との間のギャップ、ステー
タ３、ステータ３と外側ロータ７７との間のギャップ、
外側ロータ７７を介して励磁巻線Ｌ１２に伝達されて磁
束ループを形成する。この結果、外側ロータ７５はＮ極
に励磁され、外側ロータ７７はＳ極に励磁され、外側ロ
ータの全体では、Ｓ極とＮ極とが交互に６極対だけ励磁
される。

【００５６】次に、図１１を参照して、複合回転電機７
１と制御装置８３の動作を説明する。まず、起動時に
は、励磁巻線制御部８５は、指令界磁電流ｉfoに対して
予め定められた初期値を設定し、さらに、この指令界磁
電流ｉfoをＯＮ／ＯＦＦデューティＴon，Ｔoff に変換
して昇降圧チョッパ４１に出力する。

【００５７】そして、昇降圧チョッパ４１は、励磁巻線
制御部８５から与えられたＯＮ／ＯＦＦデューティＴo
n，Ｔoff に応じて内部に設けられた複数のトランジス
タを制御し、バッテリ２９から供給される電圧に対して
昇圧動作または降圧動作して、出力電流を外側ロータ７
５，７７に設けられた励磁巻線Ｌ１１，Ｌ１２に供給す
る。この結果、外側ロータ７５，７７に設けられた励磁
巻線Ｌ１１，Ｌ１２に電流が供給され、それぞれの励磁
巻線が励磁され、磁性体からなる外側ロータ７５，７７
がそれぞれＮ極，Ｓ極に励磁される。

【００５８】同時に、ステータ制御部２５は、外側ロー
タ７５，７７、内側ロータ７３に対して与えられた外側
トルク指令値Ｔｏ及び内側トルク指令値Ｔｉと、外側ロ
ータ７５，７７及び内側ロータ７３のロータ位置θｏ，
θｉに基づいて、外側ロータ７５及び内側ロータ７３と
ステータ３との間でそれぞれ回転磁界が発生するように
複合電流指令値としてＰＷＭ信号を発生する。

【００５９】 そして、多相インバータ２７は、ステー
タ制御部２５から与えられるＰＷＭ信号に基づいて、バ
ッテリ２９から供給される直流電流を交流電流に変換
し、ステータ３に設けられたコイル９に複合電流Ｉ１〜
Ｉ１２を供給する。この結果、それぞれ励磁された外側
ロータ７５，７７及び内側ロータ７３とステータ３との
間でそれぞれ回転磁界が発生され、外側ロータ７５，７
７及び内側ロータ７３がそれぞれ回転を開始する。

【００６０】ここで、多相インバータ２７に設けられた
各相のブリッジ型インバータの出力端子には、それぞれ
電流センサが設けられているので、これらの電流センサ
から出力電流ｉ1 〜ｉ12がステータ制御部２５に出力さ
れる。

【００６１】そして、ステータ制御部２５は、各相出力
電流ｉ1 〜ｉ12に基づいてｑ軸電流ｉq を算出し、励磁
巻線制御部８５に与える。

【００６２】そして、励磁巻線制御部８５は、電流セン
サ３７で検出された電流ｉfoと、ステータ制御部２５で
算出されたｑ軸電流ｉq に基づいて、外側ロータ５の実
際のトルクτo を求める。

【００６３】

【数３】τo ∝ｉfo×ｉq そして、外側ロータ７５，７７に対して与えられた外側
トルク指令値Ｔoに実際のトルクτo がなるような指令
界磁電流ｉfoを算出し、さらに、この指令界磁電流ｉfo
をＯＮ／ＯＦＦデューティＴon，Ｔoff に変換して昇降
圧チョッパ４１に出力する。そして、昇降圧チョッパ４
１から外側ロータ７５，７７に設けられた励磁巻線Ｌ１
１，Ｌ１２に電流が供給され、それぞれの励磁巻線によ
る磁界が変更され、この結果、外側ロータ７５，７７は
外側トルク指令値Ｔoに応じて回転するようになる。

【００６４】 本発明の第３の実施の形態に関する効果
としては、外側ロータは、回転軸方向に対してクロー型
形状をなす磁性体からなり、外側ロータの外周の両端部
に１対の界磁巻線を有することで、１対の界磁巻線に界
磁電流を供給して磁性体を励磁するので回転軸方向に１
対の磁極を形成でき、さらに、この磁性体がクロー型形
状をなすので、外側ロータ上に磁極を形成することがで
きる。この結果、無励磁分のリラクタンストルクによる
トルク変動を低減できて動作範囲を広くすることができ
る。

【００６５】また、界磁巻線に直流電源を供給する昇降
圧チョッパを有することで、回転電機の運転時にのみ界
磁巻線を励磁することができ、ロータに用いる永久磁石
の劣化を防止することができる。

【００６６】（第４の実施の形態）図１２は、本発明の
第４の実施の形態に係る複合回転電機９１の構成を示す
断面図である。なお、第４の実施の形態は、図９に示す
第３の実施の形態に対応する複合回転電機７１と同様の
基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符
号を付し、その説明を省略することとする。

【００６７】 同図において、複合回転電機９１は、複
数の単一コイル（以下、コイルという）からなるステー
タ３と、円筒状のステータ３の外周に所定のギャップを
おいて第１ロータ９３Ａ，９３Ａ’が配置されて二重構
造を備えている。第１ロータ９３Ａ，９３Ａ’は、６対
の磁性体Ａ，Ａ’が配置されている。

【００６８】 次に、図１３は、複合回転電機９１の側
面断面図と複合回転電機９１を制御するための制御装置
１０７を示すブロック図である。同図において、複合回
転電機９１は、第１回転電機９１ａと第２回転電機９１
ｂとの複合体であり、両者はそれぞれ独立して回転する
こととする。

【００６９】ステータ３は、ケース（図示せず）に固定
されており、ステータ３の内部に設けられたコイル９は
それぞれ多相インバータ２７の出力端子に接続されてい
る。また、第１ロータ９３Ａ，９３Ａ’の回転軸は、ベ
アリング９５を介してステータ３に回転自在に支えられ
ている。なお、第１ロータ９３Ａ，９３Ａ’の回転軸
は、図示しないベアリングを介してケース（図示せず）
に回転自在に支えられていることとする。

【００７０】第２回転電機９１ｂの基本的構造は、第１
回転電機９１ａと同様の同様の構造を有しているので、
両者の相異点のみ説明することとする。第１回転電機９
１ａの第１ロータ９３Ａ’と第２回転電機９１ｂの第２
ロータ１０１Ｂ’との間には、磁性体からなり第１ロー
タ９３Ａ’と一体となって回転する凹形状の磁気結合部
９９ａと、磁性体からなり第２ロータ１０１Ｂ’と一体
となって回転する凸形状の磁気結合部９９ｂとが設けら
れている。なお、磁気結合部９９ａ，９９ｂ間には、第
１ロータ９３Ａ’と第２ロータ１０１Ｂ’とが磁気結合
可能であり、かつそれぞれ独立して回転可能なようにギ
ャップが設けられている。また、磁気結合部９９ａ，９
９ｂの回転軸は、図示しないベアリングを介してケース
（図示せず）にそれぞれ回転自在に支えられていること
とする。

【００７１】励磁巻線Ｌ１１，Ｌ１２は、それぞれ第１
ロータ９３Ａと第２ロータ１０１Ｂの外周に配置されて
いる１対のコイルであり、励磁巻線Ｌ１１，Ｌ１２は昇
降圧チョッパ４１に接続されている。励磁巻線制御部１
１３は、電流センサ３７で検出された電流ｉfoと、ステ
ータ制御部１０９，１１１で算出されたｑ軸電流ｉq
１，ｉq2 に基づいて、指令界磁電流ｉfoを算出し、さ
らに、この指令界磁電流ｉfoをＯＮ／ＯＦＦデューティ
Ｔon，Ｔoff に変換して昇降圧チョッパ４１に出力す
る。

【００７２】ステータ制御部１０９は、第１回転電機９
１ａに対して与えられたトルク指令値Ｔ１と、第１ロー
タ９３Ａのロータ位置θ１に基づいて、第１ロータ９３
Ａ，９３Ａ’とステータ３との間でそれぞれ回転磁界が
発生するように複合電流指令値としてＰＷＭ信号を発生
する。また、ステータ制御部１０９は、各相出力電流ｉ
1 〜ｉ12に基づいてｑ軸電流ｉq１ を算出し、励磁巻線
制御部１１３に与える。なお、ステータ制御部１１１の
構成は、ステータ制御部１０９と同様であるので、その
説明を省略する。

【００７３】次に、図１３に示す複合回転電機９１の磁
束の流れ方向を説明する。励磁巻線Ｌ１１，Ｌ１２に昇
降圧チョッパ４１から励磁電流が加えられると、それぞ
れ励磁して磁束が発生する。界磁巻線Ｌ１１で発生され
た磁束は、第１ロータ９３Ａ（Ｎ極）、第１ロータ９３
Ａとステータ３との間のギャップ、ステータ３、ステー
タ３と第１ロータ９３Ａ’との間のギャップ、第１ロー
タ９３Ａ’（Ｓ極）、第１ロータ９３Ａ’の磁気結合部
９９ａ、第２ロータ１０１Ｂ’の磁気結合部９９ｂ、第
２ロータ１０１Ｂ’（Ｎ極）、第２ロータ１０１Ｂ’と
ステータ３との間のギャップ、ステータ３、ステータ３
と第２ロータ１０１Ｂ、第２ロータ１０１Ｂ（Ｓ極）を
介して励磁巻線Ｌ１２に伝達されて磁束ループを形成す
る。この結果、第１ロータ９３Ａ，第２ロータ１０１Ｂ
はＮ極に励磁され、第１ロータ９３Ａ’，第２ロータ１
０１ＢはＳ極に励磁され、両回転電機の全体では、それ
ぞれＳ極とＮ極とが交互に６極対だけ励磁される。

【００７４】 次に、図１３を参照して、複合回転電機
９１と制御装置１０７の動作を説明する。まず、起動時
には、励磁巻線制御部１１３は、指令界磁電流ｉfoに対
して予め定められた初期値を設定し、さらに、この指令
界磁電流ｉfoをＯＮ／ＯＦＦデューティＴon，Ｔoff に
変換して昇降圧チョッパ４１に出力する。

【００７５】そして、昇降圧チョッパ４１は、励磁巻線
制御部１１３から与えられたＯＮ／ＯＦＦデューティＴ
on，Ｔoff に応じて内部に設けられた複数のトランジス
タを制御し、バッテリ２９から供給される電圧に対して
昇圧動作または降圧動作して、出力電流を第１ロータ９
３Ａ，第２ロータ１０１Ｂに設けられた励磁巻線Ｌ１
１,Ｌ１２に供給する。

【００７６】この結果、第１ロータ９３Ａ，第２ロータ
１０１Ｂに設けられた励磁巻線Ｌ１１，Ｌ１２に電流が
供給され、それぞれの励磁巻線が励磁され、磁性体から
なる第１ロータ９３Ａ，９３Ａ’，第２ロータ１０１
Ｂ’，１０１ＢがそれぞれＮ極，Ｓ極に励磁される。

【００７７】 同時に、ステータ制御部１０９は、回転
電機９１ａに対して与えられたトルク指令値Ｔ１と、ロ
ータ位置θ１に基づいて、第１ロータ９３Ａ，９３Ａ’
とステータ３との間で回転磁界が発生するように複合電
流指令値としてＰＷＭ信号を発生する。そして、多相イ
ンバータ２７は、ステータ制御部１０９から与えられる
ＰＷＭ信号に基づいて、バッテリ２９から供給される直
流電流を交流電流に変換し、ステータ３に設けられたコ
イル９に複合電流Ｉ１〜Ｉ１２を供給する。

【００７８】この結果、それぞれ励磁された第１ロータ
９３Ａ，９３Ａ’とステータ３との間、第２ロータ１０
１Ｂ，１０１Ｂ’とステータ３との間でそれぞれ回転磁
界が発生され、回転電機９１ａ，９１ｂがそれぞれ回転
を開始する。

【００７９】ここで、多相インバータ２７に設けられた
各相のブリッジ型インバータの出力端子には、それぞれ
電流センサが設けられているので、これらの電流センサ
から出力電流ｉ1 〜ｉ12がステータ制御部１０９，１１
１に出力される。

【００８０】そして、ステータ制御部１０９，１１１
は、各相出力電流ｉ1 〜ｉ12に基づいてｑ軸電流ｉq1，
ｉq2をそれぞれ算出し、励磁巻線制御部１１３に与え
る。

【００８１】そして、励磁巻線制御部１１３は、電流セ
ンサ３７で検出された電流ｉfoと、ステータ制御部１０
９，１１１で算出されたｑ軸電流ｉq1，ｉq2に基づい
て、回転電機９１ａ、９１ｂの実際のトルクτ1 ，τ2
を求める。

【００８２】

【数４】τ1 ∝ｉfo×ｉq1 ，τ2 ∝ｉfo×ｉq2 そして、回転電機９１ａ、９１ｂに対して与えられたト
ルク指令値Ｔ１，Ｔ２に実際のトルクτ1 ，τ2 がなる
ような指令界磁電流ｉfoを算出し、さらに、この指令界
磁電流ｉfoをＯＮ／ＯＦＦデューティＴon，Ｔoff に変
換して昇降圧チョッパ４１に出力する。そして、昇降圧
チョッパ４１から回転電機９１ａ，９１ｂに設けられた
励磁巻線Ｌ１１，Ｌ１２に電流が供給され、それぞれの
励磁巻線による磁界が変更され、この結果、回転電機９
１ａ，９１ｂはトルク指令値Ｔ1，Ｔ2 に応じて回転す
るようになる。

【００８３】本発明の第４の実施の形態に関する効果と
しては、外側ロータは、回転軸方向に対してクロー型形
状をなす磁性体からなり、縦列接続された外側ロータの
外周の両端部に１対の界磁巻線を有することで、１対の
界磁巻線に界磁電流を供給して磁性体を励磁するので回
転軸方向に各外側ロータ上に１対の磁極を形成でき、さ
らに、この磁性体がクロー型形状をなすので、各外側ロ
ータ上に磁極を形成することができる。この結果、無励
磁分のリラクタンストルクによるトルク変動を低減でき
て動作範囲が広くすることができる。

【００８４】また、界磁巻線に直流電源を供給する昇降
圧チョッパを有することで、回転電機の運転時にのみ界
磁巻線を励磁することができ、ロータに用いる永久磁石
の劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る複合回転電機
１の構成を示す断面図である。

【図２】複合回転電機１の内側回転軸１５の構成を示す
図である。

【図３】複合回転電機１の外側回転軸１７の構成を示す
図である。

【図４】複合回転電機１の側面断面図と複合回転電機１
を制御するための制御装置２４を示すブロック図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る複合回転電機
５１の構成を示す断面図である。

【図６】複合回転電機５１の外側回転軸５９の構成を示
す図である。

【図７】複合回転電機５１の側面断面図と複合回転電機
５１を制御するための制御装置６１を示すブロック図で
ある。

【図８】ＳＷ１の設定状態と外側ロータ５５の各外側界
磁巻線に加えられる電圧の極性との関係を示す図であ
る。

【図９】本発明の第３の実施の形態に係る複合回転電機
７１の構成を示す断面図である。

【図１０】複合回転電機７１の回転軸方向の断面図であ
る。

【図１１】複合回転電機７１の側面断面図と複合回転電
機７１を制御するための制御装置８３を示すブロック図
である。

【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る複合回転電
機９１の構成を示す断面図である。

【図１３】複合回転電機９１の側面断面図と複合回転電
機９１を制御するための制御装置１０７を示すブロック
図である。

【図１４】従来の複合回転電機の回転軸方向の断面図で
ある。

【符号の説明】

１，５１，７１，９１ 複合回転電機 ３ ステータ ５，５５，７５，７７ 外側ロータ ７，５７，７３ 内側ロータ １５ 内側回転軸 １７ 外側回転軸 ２１ 外側ロータ位置センサ ２３ 内側ロータ位置センサ ２４，６１，８３，１０７ 制御装置 ２５，１０９，１１１ ステータ制御部 ２７ 多相インバータ ２９ バッテリ ３１ 電流センサ ３３ 内側ロータ制御部 ３５ 昇降圧チョッパ ３９ 外側ロータ制御部 ９１ａ，９１ｂ 回転電機 ９７，１０５ ロータ位置センサ Ｌｉ１，Ｌｉ２ 内側界磁巻線 Ｌｏ１〜Ｌｏ４ 外側界磁巻線 ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４ スリップリング

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータの内周及び外周に設けられ異な
   る回転軸に接続された２つのロータからなる三重構造を
   備え、前記ステータに、前記２つのロータに対して別々
   の回転磁場を発生させる共通のコイルを形成し、前記共
   通のコイルに、前記ロータの数と同数の回転磁場が発生
   するように、各ロータに対応する電流を加え合わせた複
   合電流を流すようにした複合回転電機において、前記２つのロータのうちの少なくとも一方は、少なくと
   も１対以上の界磁巻線が等分に配列されており、且つ、
   リラクタンストルクによるトルク変動を低減するよう
   に、前記界磁巻線に流す電流値を制御 することを特徴と
   する複合回転電機。
2. 【請求項２】 前記界磁巻線は、前記ロータの回転軸に
   設けられたスリップリングに接続されることを特徴とす
   る請求項１記載の複合回転電機。
3. 【請求項３】 前記界磁巻線は、前記ロータ上で発生す
   る極対数の組み合わせを変更可能であることを特徴とす
   る請求項１記載の複合回転電機。
4. 【請求項４】 ステータの内周及び外周に設けられ異な
   る回転軸に接続された内側ロータと外側ロータからなる
   三重構造を備え、前記ステータに、前記２つのロータに
   対して別々の回転磁場を発生させる共通のコイルを形成
   し、前記共通のコイルに、前記内側ロータと外側ロータ
   の数と同数の回転磁場が発生するように、各ロータに対
   応する電流を加え合わせた複合電流を流すようにした複
   合回転電機において、 前記外側ロータは、回転軸方向に対してクロー型形状を
   なす磁性体からなり、 外側ロータの両端部に１対の界磁巻線を設け、且つ、リ
   ラクタンストルクによるトルク変動を低減するように、
   前記１対の界磁巻線に流す電流値を制御することを特徴
   とする複合回転電機。
5. 【請求項５】 ステータの外周に設けられ回転軸に接続
   された外側ロータを有する２つの回転電機をそれぞれ独
   立して回転可能に縦列接続し、前記ステータに、２つの
   外側ロータに対して別々の回転磁場を発生させる共通の
   コイルを形成し、前記共通のコイルに、前記外側ロータ
   の数と同数の回転磁場が発生するように、各外側ロータ
   に対応する電流を加え合わせた複合電流を流すようにし
   た複合回転電機において、 前記外側ロータは、回転軸方向に対してクロー型形状を
   なす磁性体からなり、 縦列接続された外側ロータの外周の両端部に１対の界磁
   巻線を設け、且つ、リラクタンストルクによるトルク変
   動を低減するように、前記１対の界磁巻線に流す電流値
   を制御することを特徴とする複合回転電機。
6. 【請求項６】 前記界磁巻線に直流電力を供給する直流
   電源を有することを特徴とする請求項４または５いずれ
   か１項に記載の複合回転電機。