JP3506096B2 - 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】この発明は、２個のロータを
備えた複合型の回転電機に関し、特に一方のロータをジ
ェネレータとして動作させ、他方のロータをモータとし
て動作させる際に好適な構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】複合型の回転電機としては、特開平１１
−２７５８２６号公報に記載された装置（本願出願人の
先願発明）ものがある。この回転電機は、中空円筒状の
ステータの内側と外側に所定のギャップをおいて中空円
筒状の外側ロータと内側ロータとが配置された構造にな
っている。そして外側ロータ軸と内側ロータ軸は同一軸
上に並ぶように配置され、外側ロータと内側ロータは同
軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっている（後
記図３で詳細後述）。そして上記ステータに設けたコイ
ルに流す複合電流を前記ロータの数と同数の回転磁場が
発生するように制御することにより、２個のロータを独
立に制御することが出来る。前記公報においては２個の
ロータの極対数比が１対１極対数比、３対１極対数比、
２対１極対数比の場合における回転電機として成立でき
る旨が記載されている。なお、極対数比とは一方のロー
タと他方のロータの磁極対（ＮとＳで１対）の数の比を
示す。例えば、１対１極対数比とは一方のロータの磁極
対（ＮＳ）の数と他方のロータの磁極対の数とが同じ
（ＮＳ１組とＮＳ１組やＮＳ２組とＮＳ２組）の場合、
３対１極対数比とは一方のロータがＮＳ３組または６組
で他方ロータがＮＳ１組または２組（極対数比は何れも
３：１）のような場合を示す。上記のごとき回転電機に
おいては、一方のロータをジェネレータとして、他方の
ロータをモータとして運転する場合、いわゆるハイブリ
ッドシステムとして動作させる場合に、発電電力とモー
タ駆動電力との差の分の電流を共通のコイルに流すだけ
でよいので、効率を大幅に向上させることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとき回転電機
において、１対１極対数比の構成では、磁気カップリン
グ効果が有るので、両方のロータを同速度（回転角速度
ω１＝ω２）で回転させる（以下、同期状態と記す）場
合には、ステータのコイルに電流を流さないで直結状態
で駆動することも出来る（磁気カップリングモード：詳
細後述）という利点がある。しかし、ロータが逆転（２
個のロータが相互に逆方向に回る）する逆転モード（詳
細後述）もあるので、いわゆるハイブリット用モータと
して構成しにくいという問題があった。一方、ｎ対１極
対数比の構成では、逆転モードはないが磁気カップリン
グ効果もないので、ステータのコイルに電流を流さない
で直結状態で駆動することは出来ない。また、大電流が
流れると誘起起電力が上昇し、その値が電源電圧の１／
２以上になると電源のインバータが駆動不能になり、電
力を供給することが出来なくなる、という問題もある。

【０００４】本発明は上記のごとき問題を解決するため
になされたものであり、磁気カップリングで直結状態で
駆動できる機能と各ロータを独立に回転制御できる機能
とを合わせ持ち、２個のロータが同速度で回転する同期
状態における電力を大幅に低減出来る回転電機を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては特許請求の範囲に記載するように
構成している。すなわち、請求項１に記載の発明におい
ては、２個のロータは磁極を形成する永久磁石の数をｎ
対１極対数比（ｎ＝２以上の整数）とし、かつ、極対数
の多い方の磁極に強弱を設け、等価的に磁極数を少なく
することにより、極対数の少ない方の磁極と等価的に１
対１極対数比が可能となるようにし、前記ステータコイ
ルに流す電流を制御することによって１対１極対数比と
ｎ対１極対数比とに切り換えて駆動可能に構成してい
る。例えばｎ対１極対数比の回転電機として動作させる
場合には、ｎ対１に対応した複合電流をステータコイル
に流し、１対１極対数比で動作させる場合にはそれに対
応した電流を流せばよい。

【０００６】上記のように等価的に極対数を少なくする
には、例えば請求項２に記載のように、極対数の多い方
の磁極では磁石の起磁力に強弱を設けることにより、或
いは請求項３に記載のように、ロータとステータ間のギ
ャップに差を設けるか、若しくは強くしたい磁極のギャ
ップ近傍に透磁率の高い磁性材料を埋め込むことによ
り、実現することが出来る。

【０００７】

【発明の効果】本発明の回転電機においては、車両のハ
イブリッド駆動装置に適用した場合に、内燃機関始動時
や発進時には通常のｎ対１極対数比として複合電流で動
作させることにより、制御性を向上させることができ
る。また、同期状態で駆動側と被駆動側が同速度で回転
する場合には、磁気カップリングによって２個のロータ
間で直接にエネルギーの授受が行われるので、極めて低
電流、低損失で駆動することが出来る。そのため、同期
状態における損失の大幅な低減が可能になり、かつ誘起
起電力が減少するために、同期状態において高回転まで
運転領域を拡大できる。さらに、同期状態における供給
電流を小さくできるので鉄損、銅損、インバータロスを
大幅に低減することができる、等の効果が得られる。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、本発明を適用する回転電機
の例として、本出願人が以前に出願した特開平１１−２
７５８２６号公報記載の回転電機の構造、およびその駆
動回路について説明する。

【０００９】図３は、上記公報記載の回転電機の構造を
示す図であり、（ａ）は回転電機全体の概略断面図、
（ｂ）はロータとステータ部分の断面図〔（ａ）のＡ−
Ａ’断面図、ただし軸や外枠部分は除き、ロータとステ
ータのみを示す〕である。なお、図３は外側ロータの磁
極数が４、内側ロータの磁極数が２で、その比である磁
極数比が２：１の場合を示している。なお、ロータに設
けた磁極の対（ＮとＳで１対）の数である極対数で示せ
ば、外側ロータは極対数が２、内側ロータは極対数が１
であり、両者の比である極対数比はやはり２：１とな
る。

【００１０】図３において、中空円筒状のステータ２の
外側と内側に所定のギャップをおいて中空円筒状の外側
ロータ３と内側ロータ４が配置され、３層構造になって
いる。また、内側ロータ軸９と外側ロータ軸１０とは同
一の軸上に並ぶように設けられ、内側ロータ４と外側ロ
ータ３は同軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっ
ている。なお、軸受等は図示を省略している。

【００１１】内側ロータ４は半周をＳ極、もう半周をＮ
極とした一対の永久磁石で形成され、これに対して、外
側ロータ３は内側ロータ４の一極当たり２倍の極数を持
つように永久磁石が配置される。つまり、外側ロータ３
のＳ極、Ｎ極は各２個であり、９０度毎にＳ極とＮ極が
入れ替わるように構成されている。このように各ロータ
３、４の磁極を配置すると、内側ロータ４の磁石は外側
ロータ３の磁石により回転力を与えられることがなく、
この逆に外側ロータ３の磁石が内側ロータ４の磁石によ
り回転力を与えられることもない。

【００１２】たとえば、内側ロータ４の磁石が外側ロー
タ３に及ぼす影響を考えてみる。簡単のため内側ロータ
４は固定して考える。まず、内側ロータ４のＳ極とこれ
に対峙する外側ロータ３の上側磁石ＳＮとの関係におい
て、図示の状態で仮に内側ロータ４のＳ極が出す磁力を
受けて、外側ロータの上側磁石ＳＮが時計方向に回転し
ようとしたとすると、内側ロータ４のＮ極とこれに対峙
する外側ロータ３の下側磁石ＳＮとの関係においては、
内側ロータ４のＮ極により外側ロータ３の下側磁石ＳＮ
が反時計方向に回転しようとする。つまり、内側ロータ
４のＳ極が外側ロータ３の上側磁石に及ぼす磁力と内側
ロータ４のＮ極が外側ロータ３の下側磁石に及ぼす磁力
とがちょうど相殺することになり、外側ロータ３は内側
ロータ４と関係なく、ステータ２との関係だけで制御可
能となるわけである。このことは、後述するようにステ
ータコイルに発生する回転磁場とロータとの間でも同じ
である。

【００１３】ステータ２のコイルは、外側ロータ３の１
磁極当たり３個のコイル６で構成され、合計１２個（＝
３×４）のコイル６が同一の円周上に等分に配置されて
いる。丸で囲んだ数字はそれぞれコイルの巻線を示し、
例えば１と１とが１つのコイルを形成し、それぞれ電流
の方向が逆なことを示している。すなわち、１は紙面方
向へ電流の流れる巻線であり、１はその逆方向に電流の
流れる巻線である。この場合の巻線方法は集中巻であ
る。

【００１４】また、７はコイルが巻回されるコアで、コ
イル６と同数のコア７が円周上に等分に所定の間隔（ギ
ャップ）８をおいて配列されている。なお、後述するよ
うに、１２個のコイルは番号で区別しており、この場合
に６番目のコイルという意味でコイル６が出てくる。上
記のコイル６という表現と紛らわしいが、意味するとこ
ろは異なっている。

【００１５】これら１２個のコイルには次のような複合
電流Ｉ_１〜Ｉ_１２を流す。まず内側ロータ４に対する回
転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、
［１，２］＝［７，８］、［３，４］＝［９，１０］、
［５，６］＝［１１，１２］の３組のコイルに１２０度
ずつ位相のずれた電流Ｉｄ、Ｉｆ、Ｉｅを設定する。こ
こで、番号の下に付けたアンダーラインは反対方向に電
流を流すことを意味させている。たとえば、１組のコイ
ル［１，２］＝［７，８］に電流Ｉｄを流すとは、コイ
ル１からコイル７に向けてＩｄの半分の電流を、かつコ
イル２からコイル８に向けてＩｄのもう半分の電流を流
すことに相当する。１と２、７と８が円周上でそれぞれ
近い位置にあるので、この電流供給により、内側ロータ
４の磁極と同数（２極）の回転磁場を生じさせることが
可能となる。

【００１６】次に、外側ロータ３に対する回転磁場を発
生させる電流（三相交流）を流すため、［１］＝［４］
＝［７］＝［１０］、［２］＝［５］＝［８］＝［１
１］、［３］＝［６］＝［９］＝［１２］の３組のコイ
ルに１２０度ずつ位相がずれた電流Ｉａ、Ｉｃ、Ｉｂを
設定する。たとえば、１組のコイル［１］＝［４］＝
［７］＝［１０］に電流Ｉａを流すとは、コイル１から
コイル４にＩａの電流をかつコイル７からコイル１０に
向けてもＩａの電流を流すことに相当する。コイル１と
７、コイル４と１０がそれぞれ円周上の１８０度ずつ離
れた位置にあるため、この電流供給により、外側ロータ
３の磁極と同数（４極）の回転磁場を生じさせることが
できる。この結果、１２個のコイルには次の各複合電流
Ｉ_１〜Ｉ_１２を流せばよいことになる。 I_１＝(1/2)Id＋Ia I_２＝(1/2)Id＋Ic I_３＝(1/2)If＋Ib I_４＝(1/2)If＋Ia I_５＝(1/2)Ie＋Ic I_６＝(1/2)Ie＋Ib I_７＝(1/2)Id＋Ia I_８＝(1/2)Id＋Ic I_９＝(1/2)If＋Ib I_１０＝(1/2)If＋Ia I_１１＝(1/2)Ie＋Ic I_１２＝(1/2)Ie＋Ib ただし、電流記号の下につけたアンダーラインは逆向き
の電流であることを表している。

【００１７】さらに図４を参照して複合電流の設定を説
明すると、図４は、図３との比較のため、ステータ２の
内周側と外周側に各ロータに対して別々の回転磁場を発
生させる専用のコイルを配置したものである。つまり、
内周側コイルｄ、ｆ、ｅの配列が内側ロータに対する回
転磁場を、また外周側コイルａ、ｃ、ｂの配列が外側ロ
ータに対する回転磁場を発生する。この場合に、２つの
専用コイルを共通化して、図３に示した共通のコイルに
再構成するには、内周側コイルのうち、コイルｄに流す
電流の半分ずつをコイルｄの近くにあるコイルａとｃに
負担させ、同様にして、コイルｆに流す電流の半分ずつ
をコイルｆの近くにあるコイルｂとａに、またコイルｅ
に流す電流の半分ずつをコイルｅの近くにあるコイルｃ
とｂに負担させればよいわけである。上記複合電流Ｉ_１
〜Ｉ_１２の式はこのような考え方を数式に表したものあ
る。なお、電流設定の方法はこれに限られるものでな
く、前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載のよう
に、他の電流設定方法でもかまわない。

【００１８】このように電流設定を行うと、共通のコイ
ルでありながら、内側ロータ４に対する回転磁場と外側
ロータ３に対する回転磁場との２つの磁場が同時に発生
するが、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３に対する回
転磁場により回転力を与えられることがなく、また外側
ロータ３の磁石が内側ロータ４に対する回転磁場により
回転力を与えられることもない。この点は前記特開平１
１−２７５８２６号公報に記載のように、理論解析で証
明されている。

【００１９】上記Ｉｄ、Ｉｆ、Ｉｅの電流設定は内側ロ
ータ４の回転に同期して、また上記Ｉａ、Ｉｃ、Ｉｂの
電流設定は外側ロータ３の回転に同期してそれぞれ行
う。トルクの方向に対して位相の進み遅れを設定する
が、これは同期モータに対する場合と同じである。

【００２０】図５は上記回転電機を制御するための回路
のブロック図である。上記複合電流Ｉ_１〜Ｉ_１２をステ
ータコイルに供給するため、バッテリなどの電源１１か
らの直流電流を交流電流に変換するインバータ１２を備
える。瞬時電流の全ての和は０になるためこのインバー
タ１２は、図６に詳細を示したように、通常の３相ブリ
ッジ型インバータを１２相にしたものと同じで、２４
（＝１２×２）個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ２４とこ
のトランジスタと同数のダイオードから構成される。イ
ンバータ１２の各ゲート（トランジスタのベース）に与
えるＯＮ、ＯＦＦ信号はＰＷＭ信号である。

【００２１】各ロータ３、４を同期回転させるため、各
ロータ３、４の位相を検出する回転角センサ１３、１４
が設けられ、これらセンサ１３、１４からの信号が入力
される制御回路１５では、外側ロータ３、内側ロータ４
に対する必要トルク（正負あり）のデータ（必要トルク
指令）に基づいてＰＷＭ信号を発生させる。

【００２２】このように、前記特開平１１−２７５８２
６号公報に記載の回転電機においては、２つのロータ
３、４と１つのステータ２を三層構造かつ同一の軸上に
構成すると共に、ステータ２に共通のコイル６を形成
し、この共通のコイル６にロータの数と同数の回転磁場
が発生するように複合電流を流すようにしたことから、
ロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとし
て運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差の分
の電流を共通のコイルに流すだけでよいので、効率を大
幅に向上させることができる。

【００２３】また、２つのロータに対してインバータが
１つでよくなり、さらにロータの一方をモータとして、
残りをジェネレータとして運転する場合には、上記のよ
うに、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通
のコイルに流すだけでよくなることから、インバータの
電力スイッチングトランジスタのキャパシタンスを減ら
すことができ、これによってスイッチング効率が向上
し、より全体効率が向上する。

【００２４】これまでの説明は、極対数比が２：１の場
合について主に説明したが、極対数比が１：１の場合、
すなわち、外側ロータと内側ロータの極対数が同数の場
合には、特殊な動作特性が生じる。以下説明する。前記
特開平１１−２７５８２６号公報の（８）式および
（９）式は下記のようになる。 f_１=-μIm_１｛Im_２・sin((ω_２-ω_１)t-α)-(3/2)n・Ic・sin(β)｝ …（ ８） f_２= μIm_２｛Im_１・sin((ω_１-ω_２)t-α)-(3/2)n・Ic・sin((ω_１-ω_２)t-α-β) ｝ …（９） ただし、ｆ_１：外側ロータの駆動力 ｆ_２：内側ロータの駆動力 Ｉｍ_１：外側ロータの磁石の等価直流電流 Ｉｍ_２：内側ロータの磁石の等価直流電流 Ｉｃ：ステータコイルの電流 ω_１：外側ロータの回転角速度 ω_２：内側ロータの回転角速度 α：２つのロータの磁極の位相角 β：電流の位相差 μ：透磁率 ｎ：コイル定数 上記（８）式、（９）式において、まず、ステータコイ
ルに回転磁界を発生する電流Ｉｃを流した場合に、両ロ
ータの駆動力ｆ_１とｆ_２を考察する。

【００２５】ステータコイルの電流Ｉｃ・ｓｉｎβによ
る駆動力ｆ_１、ｆ_２は外側ロータと内側ロータとの位相
角αによって変化するので、以下、α＝０の場合とα＝
πの場合とに分けて説明する。なお、α＝０とは図７
（ａ）に示すように、２個のロータの磁極が同極（Ｎ−
ＮとＳ−Ｓ）で対面している状態であり、α＝πとは図
７（ｂ）に示すように、２個のロータの磁極が異極（Ｎ
−Ｓ）で対面している状態である。

【００２６】式を簡単にするために、ω_１＝ω_２とすれ
ば、（８）式、（９）式から、 f_１=-μIm_１｛Im_２・sin(-α)-(3/2)n・Ic・sin(β)｝ …（数１）式 f_２= μIm_２｛Im_１・sin(-α)-(3/2)n・Ic・sin(-α-β)｝ …（数２）式 α＝０の場合 （数１）式、（数２）式においてα＝０とすれば、下記（数３）式、（数４） 式のようになる。 f_１=-μIm_１｛-(3/2)n・Ic・sin(β)｝ =μIm_１・(3/2)n・Ic・sin(β)…（数３） 式 f_２= μIm_２｛-(3/2)n・Ic・sin(-β)｝=μIm_２・(3/2)n・Ic・sin(β)…（数４） 式 よってμIm_１＝μIm_２とすれば、ｆ_１＝ｆ_２となる。上
記のように、α＝０の場合にはｆ_１＝ｆ_２となるので、
２個のロータは同じ方向に駆動力を受け、同じ方向に回
転する。

【００２７】 α＝πの場合 （数１）式、（数２）式においてα＝πとすれば、下記（数５）式、（数６） 式のようになる。 f_１=μIm_１・(3/2)n・Ic・sinβ …（数５）式 f_２=μIm_２・(3/2)n・Ic・sin(-π-β)=-μIm_２・(3/2)n・Ic・sinβ …（数６）式 よってμIm_１＝μIm_２とすれば、ｆ_１＝−ｆ_２となる。
上記のようにα＝πの場合には、ｆ_１＝−ｆ_２となるの
で、２個のロータは逆方向に駆動力を受け、相互に逆方
向に回転する。これが逆転モードである。上記のように
ステータコイルに電流を流して駆動する場合には、位相
角αの値に応じて、正転モードと逆転モードとがある。

【００２８】次に、ステータコイルに電流を流さない場
合、すなわちＩｃ＝０の場合について説明する。Ｉｃ＝
０の場合は前記（８）式、（９）式から下記（数７）
式、（数８）式のようになる。 f_１=-μIm_１｛Im_２・sin((ω_２-ω_１)t-α)｝ …（数７）式 f_２= μIm_２｛Im_１・sin((ω_１-ω_２)t-α)｝ …（数８）式 （数７）式、（数８）式において、ω_１＝ω_２とすれ
ば、 f_１=-μIm_１｛Im_２・sin(-α)｝ …（数９）式 f_２= μIm_２｛Im_１・sin(-α)｝ …（数１０）式 となり、常にｆ_１＝−ｆ_２となる。これは一見、逆方向
に回転するように見えるが、実際には２個のロータ間に
位相角αを与えた場合にα＝０の位置に戻ろうする力を
示す。つまり一方のロータに外部から機械的な力を加え
ると、αが０からずれて、これを修正する力ｆ_１が発生
し、同様に他方のロータにも修正方向である反対側の力
ｆ_２が働くということである。したがって一方のロータ
を外部から機械的に回転させると他方のロータもα＝０
を保つように同じ方向に回転することになる。これが磁
気カップリングであり、ステータコイルに電流を流さな
い状態で、例えば外側ロータを内燃機関で駆動すれば、
同方向に内側ロータを回転させることが出来る。

【００２９】上記のように１対１極対数比の場合には、
位相角α＝０でステータコイルに電流を流さない状態で
一方のロータを外部から機械的に駆動すれば、磁気カッ
プリングモードとなり、ステータのコイルに電流を流さ
ないで、他方のロータを直結状態（同速度）で駆動する
ことが出来る。また、２つのロータの磁石の位相角α＝
πの場合は逆転モードとなり、外側ロータと内側ロータ
とが逆方向に回転することになる。

【００３０】上記のような複合型の回転電機をハイブリ
ッド車両に搭載し、一方のロータを内燃機関で駆動して
発電し、その電力をステータコイルに流して他方のロー
タを回転させ、それで車両を駆動するシステムにおい
て、内燃機関の始動時に、上記の内燃機関に結合された
ロータをスタータモータとして始動を行うように構成し
た場合に、車両も内燃機関も停止している状態で、車両
に結合されたロータを回転して車両を駆動すると、内燃
機関に結合されたロータも回転してしまうおそれがあ
る。逆に、内燃機関の始動時に内燃機関に結合された方
のロータが回転すると、他方の車輪に結合されたロータ
も回転し、車両が動いてしまうおそれがある等の望まし
くない特性がある。本発明は電流を流さないで駆動出来
るという磁気カップリングの有利な特性を活かし、か
つ、望ましくない特性は押さえるように改良したもので
ある。

【００３１】以下、本発明の実施の形態を説明する。図
１は、本発明の第１の実施の形態に用いる回転電機のロ
ータとステータ部分の断面図であり、（ａ）は実際の構
成、（ｂ）は等価的構成を示す。なお、回転電機全体の
概略断面図は前記図３（ａ）と同様である。図１（ａ）
に示すように、実際の構成は、外側ロータ２１が３極
対、内側ロータ２３が１極対で、３対１磁極対比の構成
になっている。しかし、外側ロータ２１の磁石は、一方
が強いＮ極の両側に弱いＳ極があり、他方が強いＳ極の
両側に弱いＮ極がある構造になっている。上記の強い方
のＮ極またはＳ極の起磁力の強さが他の２個のＳ極また
はＮ極の起磁力の強さよりも大きければ、全体的には図
１（ｂ）に示すように、一つのＮ極と一つのＳ極とがあ
るのと同等で１極対になる。そのため、等価的には外側
ロータ２１と内側ロータ２３が共に１極対で、１対１磁
極対比の構成になる。

【００３２】上記のような構造においては、ステータ２
２に設けたステータコイルに前に説明したごとき３対１
磁極対比に相当する複合電流を流せば、３対１磁極対比
の回転電機として動作し、外側ロータ２１と内側ロータ
２３を独立に制御することが出来る。また、前記のよう
に、磁気カップリング効果を利用して両方のロータを同
期して回転させる場合には、１対１磁極対数比の回転電
機として動作する。なお、上記の例は３対１磁極対比と
１対１磁極対数比とに両用出来る構成を示したが、一般
的にはｎ対１磁極対比（ｎは２以上の整数）と１対１磁
極対数比とに両用することが出来る。

【００３３】上記のように本発明の回転電機は２個の特
性を切り換えて使用することが出来るので、いわゆるハ
イブリッド駆動の車両に適している。例えば、前記図３
（ａ）の外側ロータ軸１０に内燃機関を接続して外側ロ
ータ３を駆動して発電機として動作させ、内側ロータ軸
９を車両の駆動系に接続して内側ロータ４を電動機とし
て車両を駆動する。このような構成において、上記３対
１磁極対比の回転電機として動作する場合には、外側ロ
ータ３で発電した電力で、内側ロータ４を回転させれ
ば、外側ロータ３の速度に拘束されない任意の速度で車
両を駆動することが出来る。また、上記１対１磁極対数
比の回転電機として動作する場合には、磁気カップリン
グ効果で外側ロータ３と同速度で内側ロータ４を回転さ
せることが出来る。この場合には磁気カップリング効果
を利用することにより、電力消費を極端に減少させるこ
とが出来る。

【００３４】上記のように、強い磁極と弱い磁極とを混
在させるには、次の３つの方法が考えられる。 （１）磁石の起磁力に差を持たせる方法 強い磁極とする部分の起磁力を大きくし、弱い磁極とす
る部分の起磁力を小さくすれば、強い磁極と弱い磁極を
形成できる。 （２）ギャップに差を設ける方法 起磁力が同じであってもロータとステータとのギャップ
の大きさを変えれば実用上磁極の強さは変わる。したが
って強くする磁極のギャップを小さく、弱くする磁極の
ギャップを大きくすれば、強い磁極と弱い磁極を構成で
きる。 （３）強くしたい磁極のギャップ近傍に透磁率の高い磁
性材料を埋め込む方法透磁率の高い磁性材料を埋め込む
ことにより、磁極を強くすることが出来る。

【００３５】次に、図２は、本発明の回転電機における
制御系を示すブロック図である。図２において、２４は
外側ロータ２１の位相（ロータ位置）を検出する回転角
センサ、２５は内側ロータ２３の位相を検出する回転角
センサである。また、トルク制御装置２６は、ロータ間
トルク演算部２７、トルク指令値演算部２８、出力電流
演算部２９、ＰＷＭパターン発生部３０、ゲート信号作
成部３１からなる。また、３２はインバータ、３３は電
流センサである。

【００３６】以下、作用を説明する。本発明の回転電機
においては、前記図１（ａ）に示したように、外側ロー
タ２１の各磁極に強弱を設けている。そのため外側ロー
タ２１と内側ロータ２３とが異なった速度で回転する非
同期状態では、磁極の相互位置によって磁極の強弱に応
じたトルク変動が生じる。したがってトルク変動をなく
すためには、ステータコイルに流す電流をロータの回転
角に応じて制御する必要がある。

【００３７】図２において、非同期状態では、回転角セ
ンサ２４、２５で検出した２個のロータの位相（位置）
情報に基づいて、ロータ間トルク演算部２７において２
個のロータ間トルクを演算する。次にトルク指令値演算
部２８において、外部から与えられる内側ロータトルク
指令値Ｓ１、外側ロータトルク指令値Ｓ２と、上記の演
算したロータ間トルクとの差を求めることにより、実際
にステータの複合電流によって発生させるべきトルクに
相当したトルク指令値を求める。次に出力電流演算部２
９において、上記の演算されたトルク指令値に応じてス
テータコイルに供給する複合電流に相当する出力電流値
を演算する。次にゲート信号作成部３１では、ＰＷＭパ
ターン発生部３０から送られる信号（例えば三角波信
号）と上記の出力電流値とからＰＷＭのゲート信号を作
成して出力する。上記のゲート信号でインバータ回路３
２のスイッチング素子をオン・オフ制御することによ
り、ステータ２２に設けられたステータコイルに電流を
供給する。

【００３８】上記のごとき制御を行うことにより、非同
期状態で外側ロータ２１と内側ロータ２３とを独立に制
御する際に、トルク変動を生じさせないで通常の３対１
極対数比の回転電機として動作させることが出来る。

【００３９】次に、外側ロータ２１と内側ロータ２３と
が同速度で回転する同期状態においても、上記と同様の
制御を行うが、１対１磁極対数比で動作する場合には、
前記のごとき磁気カップリング効果が生じるので、ステ
ータコイルに流す電流を大幅に減少させることが出来
る。例えば、外側ロータ２１を内燃機関で駆動し、内側
ロータ２３で車両を駆動するような構成において、車両
を駆動するに必要とされるトルクが磁気カップリング効
果によるトルク（前記ロータ間トルク演算部２７で求め
た２個のロータ間トルク）よりも小さい場合には、ステ
ータコイルに電流を流さずに内側ロータ２３を回転させ
ることが出来る。内側ロータ２３に必要とされる駆動ト
ルクが磁気カップリング効果によるトルクよりも大きく
なると、その分の電流がステータコイルに供給されるこ
とになる。

【００４０】また、ステータコイルに大電流が流れると
誘起起電力が上昇し、その値が電源電圧の１／２以上に
なると電源のインバータ回路が駆動不能になり、電力を
供給することが出来なくなるという問題が生じるが、本
発明においては、上記のように、供給される電流値が大
幅に小さくなるので、ステータコイルに流れる電流によ
る誘起起電力も減少する。そのため同期状態において高
回転域まで運転領域を拡大することが出来る。

【００４１】次に、非同期状態から同期状態への引き入
れについて説明する。一方のロータが駆動源で、他方の
ロータが被駆動状態の場合、例えば前記のように外側ロ
ータ２１を内燃機関で駆動し、内側ロータ２３で車両を
駆動するような構成の場合であって、被駆動状態のロー
タのトルクを大きくする場合には、トルク指令値によら
ず、回転角センサ２４、２５で検出されたロータ位相情
報に基づいて回転速度を演算する。そして回転速度差が
有る場合には所定時間をかけてステータコイルの電流を
調節することで被駆動側のロータトルクを回転数差がゼ
ロとなるまで制御する。回転数差がゼロとなったところ
で、回転角センサ２４、２５で検出したロータ位置から
ロータ間トルク演算部２７で被駆動側のトルクを演算
し、そのトルクが最大になる位置までステータコイルの
電流を調節し、位置決めを行う。その後は同期状態の制
御手法に従う。

【００４２】逆に、被駆動状態のロータのトルクを小さ
くする場合には、トルク指令値によらず、回転角センサ
２４、２５で検出されたロータ位相情報に基づいて回転
速度を演算する。そして回転速度差が有る場合には所定
時間をかけてステータコイルの電流を調節することで被
駆動側のロータトルクを回転数差がゼロとなるまで制御
する。回転数差がゼロとなったところで、回転角センサ
２４、２５で検出したロータ位置からロータ間トルク演
算部２７で被駆動側のトルクを演算し、そのトルクが最
小になる位置までステータコイルの電流を調節し、位置
決めを行う。その後は同期状態の制御手法に従う。

【００４３】本発明の回転電機を前記のように車両のハ
イブリッド駆動装置に適用した場合には、内燃機関始動
時や発進時には通常のｎ対１極対数比として複合電流で
動作させることにより、制御性を向上させることができ
る。また、同期状態で駆動側と被駆動側が同速度で回転
する場合には、磁気カップリングによって２個のロータ
間で直接にエネルギーの授受が行われるので、極めて低
電流、低損失で駆動することが出来る。そのため、同期
状態における損失の大幅な低減が可能になり、かつ誘起
起電力が減少するために、同期状態において高回転まで
運転領域を拡大できる。さらに、同期状態における供給
電流を小さくできるので鉄損、銅損、インバータロスを
大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に用いる回転電機の
ロータとステータ部分の断面図であり、（ａ）は実際の
構成、（ｂ）は等価的構成を示す図。

【図２】本発明の回転電機における制御系を示すブロッ
ク図。

【図３】本発明を適用する回転電機の一例の構造を示す
図であり、（ａ）は回転電機全体の概略断面図、（ｂ）
はロータとステータ部分の断面図。

【図４】ステータ２の内周側と外周側に専用コイルを配
置した回転電機本体の概略断面図。

【図５】回転電機を制御するための回路のブロック図。

【図６】インバータの一例の回路図。

【図７】１対１磁極対数比の回転電機の場合に、外側ロ
ータ２１と内側ロータ２３との回転の位相角αを示す
図。

【符号の説明】

２１…外側ロータ ２２…ステー
タ ２３…内側ロータ ２４…回転角
センサ ２５…回転角センサ ２６…トルク
制御装置 ２７…ロータ間トルク演算部 ２８…トルク
指令値演算部 ２９…出力電流演算部 ３０…ＰＷＭ
パターン発生部 ３１…ゲート信号作成部 ３２…インバ
ータ回路 ３３…電流センサ Ｓ１…外側ロ
ータトルク指令値 Ｓ２…内側ロータトルク指令値

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁気回路とステータコイルを共有する２個
   のロータを備え、前記ステータコイルに各ロータに対応
   する電流を加え合わせた複合電流を流し、前記ロータの
   数と同数の回転磁場が発生するように制御する回転電機
   であって、 前記２個のロータは磁極を形成する永久磁石の数をｎ対
   １極対数比（ｎ＝２以上の整数）とし、かつ、極対数の
   多い方の磁極に強弱を設け、等価的に磁極数を少なくす
   ることにより、極対数の少ない方の磁極と等価的に１対
   １極対数比が可能となるようにし、前記ステータコイル
   に流す電流を制御することによって１対１極対数比とｎ
   対１極対数比とに切り換えて駆動可能に構成したことを
   特徴とする回転電機。
2. 【請求項２】前記極対数の多い方の磁極は、磁石の起磁
   力に強弱を設けることにより、等価的に極対数を少なく
   するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の
   回転電機。
3. 【請求項３】前記極対数の多い方の磁極は、前記ロータ
   とステータ間のギャップに差を設けるか、若しくは強く
   したい磁極のギャップ近傍に透磁率の高い磁性材料を埋
   め込むことにより、等価的に極対数を少なくするように
   構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 【請求項４】前記２個のロータが同速度で回転する同期
   状態においては、前記２個のロータの磁石により発生す
   るロータ間トルクを、前記２個のロータ位置による関数
   として計算し、必要とされるトルクの値と前記ロータ間
   トルクとの差に相当するトルクを発生するようにステー
   タコイルに供給する電力を制御する手段を備えたことを
   特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の回転
   電機。
5. 【請求項５】前記２個のロータが異なる速度で回転する
   非同期状態においては、前記２個のロータの磁石により
   発生するロータ間トルクを、前記２個のロータ位置によ
   る関数として計算し、前記ロータ間トルクによって生ず
   るトルク脈動を相殺するようにステータコイルに供給す
   る電力を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項
   １乃至請求項４の何れかに記載の回転電機。
6. 【請求項６】非同期状態から同期状態への引き入れは、
   一方のロータが駆動源に接続され、他方のロータが被駆
   動状態の場合であって、前記被駆動状態のロータのトル
   クを大きくする場合には、ステータコイルの電流を調節
   することで前記被駆動状態のロータトルクを回転数差が
   ゼロとなるまで制御し、回転数差がゼロとなったところ
   で、前記被駆動状態のロータトルクが最大になる位置ま
   で前記ステータコイルの電流を調節して位置決めを行
   い、位置決め完了後は位置決め制御を停止することで同
   期状態とする手段を備えたことを特徴とする請求項１乃
   至請求項５の何れかに記載の回転電機。
7. 【請求項７】非同期状態から同期状態への引き入れは、
   一方のロータが駆動源に接続され、他方のロータが被駆
   動状態の場合であって、前記被駆動状態のロータのトル
   クを小さくする場合には、ステータコイルの電流を調節
   することで前記被駆動状態のロータトルクを回転数差が
   ゼロとなるまで制御し、回転数差がゼロとなったところ
   で、前記被駆動状態のトルクが最小になる位置まで前記
   ステータコイルの電流を調節して位置決めを行い、位置
   決め完了後は位置決め制御を停止することで同期状態と
   する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項
   ５の何れかに記載の回転電機。