JP5678550B2 - 多重回転子形電動機 - Google Patents

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Description

本発明は電動機に関し、より詳細には、複数の回転子を有する多重回転子形電動機に関する。
ハイブリッド車両では、駆動源としてエンジンおよび電動機を搭載し、エンジンによる駆動を電動機でアシストしたり、電動機単独で駆動したりできるようになっている。電動機には三相交流電動機が用いられ、インバータ装置で通電制御することにより、走行速度を可変に制御するのが一般的である。この種の車載電動機として、複数の回転子を有する多重回転子形電動機が提案されている。
例えば、特許文献１に開示される車両用変速装置は、エンジンに連結され少なくとも発電機として機能する第１回転電機と、車輪軸に連結され少なくとも電動機として機能する第２回転電機と、第１および第２回転電機をそれぞれ駆動する第１および第２駆動手段と、制御手段とを備え、制御手段より車両発進時により大きなトルクを発生することを目的としている。そして、特許文献１の図８に示される第３実施形態には、第１および第２回転電機部で構成される２重ロータ構造の回転電機が開示されている。第１回転電機部は、エンジンに連結され三相巻線が巻回された第１回転子と、その外周側に配設され永久磁石を有し差動装置に連結される第２回転子とから構成される。また、第２回転電機部は、前記の第２回転子と、その外周側に配設され三相巻線が巻回された固定子とから構成される。これにより、車両発進時において、大きなクリープトルクを発生することができる、とされている。
また、特許文献２の電気式無段変速装置は、２重回転子構造を有する主モータと、出力軸のトルクを加減する副モータと、主および副インバータとを備えている。主モータは、エンジンに直結して回転する第１回転子と、車軸を駆動する第２回転子とで構成されている。副モータは、当第２回転子に機械的に固定された回転子と、固定子とで構成されている。
上記の特許文献１および２の技術は、ともに２つのモータユニットを有し、ほぼ同等の機能を有している。すなわち、エンジン出力に対して第１回転電機部および主モータは加減速およびトルク加減算の機能を有し、第２回転電機部および副モータは主にトルク加減算の機能を有している。これにより、両技術は、加減速およびトルク変換を行う変速装置の機能を実現している。
特開２００５−４７３９６号公報 特開平１０−４２６００号公報
ところで、特許文献１および２の技術は２つのモータユニットのトルクを合算できる点は好ましいが、反面、走行駆動源として必要とされる回転数範囲の全領域で各モータユニットが良好に作動する必要がある。しかしながら、近年では、電動機を小形化するために高速回転化が図られており、広い回転数範囲で性能を維持することは極めて難しい。例えば、好ましい回転数範囲から外れると、電動機の鉄損や銅損の比率が増加する。これを解消しようとして電動機を大形化すれば、高コスト化してしまう。また、回転数の増加につれて、機械系の風損や軸受損失、インバータ装置の通電損失などが増加したり、軸受部が特殊な構造に制約されたりするため、出力回転数はおのずから制限される。さらに、特許文献１および２では、２組のモータユニットのそれぞれに電源用のインバータが設けられており、制御が複雑であるとともにコストも増加している。
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、複数のモータユニットの組み合わせにより大きな出力回転数を得るとともに、個々のモータユニットの回転数範囲を狭くして小形化、高効率化、動作安定化、低コスト化を達成し、車両への搭載に適した多重回転子形電動機を提供することを解決すべき課題とする。
上記課題を解決する請求項１に係る多重回転子形電動機の発明は、電源部から供給される電気入力に従い相対回転数が変化する固定子および回転子をそれぞれ有する複数のモータユニットと、一端のモータユニットの固定子を固定するケースと、一端のモータユニットの回転子と他端のモータユニットの固定子とを直接に、あるいは別のモータユニットを介し間接に連結して構成した複合回転子と、他端のモータユニットの回転子に連結され、かつ前記ケースに回転自在に軸承された出力軸と、第１ワンウェイクラッチを介して前記複合回転子に連結され外部動力を入力可能な第１入力軸、および第２ワンウェイクラッチを介して前記出力軸に連結され外部動力を入力可能な第２入力軸の少なくとも一方と、を備えることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１において、２つの前記モータユニットと、一端のモータユニットの回転子と他端のモータユニットの固定子とを直接に連結して構成した複合回転子と、を備えることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１において、３つ以上の前記モータユニットと、他端以外のモータユニットの回転子と隣接する次のモータユニットの固定子とをそれぞれ連結して構成した２つ以上の複合回転子と、を備えることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、各前記モータユニットの出力トルクは、一端側から他端側へ向かうにつれて順次減少するか、あるいはほぼ同じであることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、各前記モータユニットの固定子および回転子は電磁鋼板を積層して構成したコアを有し、各前記複合回転子は、連結されている回転子と固定子との間を磁気的に分離する磁気分離部を有することを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、各前記モータユニットは、前記相対回転数と出力トルクとの関係を示す出力特性が互いにほぼ同一であることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、各前記モータユニットは、前記電気入力を制御することで前記相対回転数と出力トルクとの関係を示す出力特性を互いにほぼ同一にしたことを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項において、少なくともひとつの回転子を前記ケースに対して制動および停止する制動停止機構を備え、あるいは、少なくともひとつの回転子を他の回転子に対して同期および結合する同期結合機構を備えることを特徴とする。
請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれか一項において、各前記モータユニットは三相交流電動機であり、前記電源部の通電制御部は各前記三相交流電動機をまとめて駆動できるひとつのインバータ装置であることを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、請求項９において、各前記三相交流電動機の固定子および回転子のいずれかは三相Ｙ結線のコイルを有し、各前記三相交流電動機の前記コイルを直列接続し、一端の三相交流電動機のコイルに前記インバータ装置を接続し、他端の三相交流電動機のコイルに三相Ｙ結線の中性点を設けたことを特徴とする。
請求項１に係る多重回転子形電動機の発明では、複合回転子は、一端のモータユニットの回転子と他端のモータユニットの固定子とを直接に、あるいは別のモータユニットを介し間接に連結して構成されており、他端のモータユニットの固定子はケースに対して回転する。したがって、出力軸は、一端および他端のモータユニットの各相対回転数を加算した回転数で回転する。これにより、単独のモータユニットでは実現し得ない大きな出力回転数を得ることができる。また、一端および他端のモータユニットの回転数範囲が狭くなることから小形に構成でき、鉄損や銅損、電源部の通電制御部の損失も低減できる。したがって、総合的に小形化、高効率化、低コスト化を達成した多重回転子形電動機を提供できる。
さらに、第１入力軸に外部動力を入力した場合には回転数およびトルクを加算でき、また、第２入力軸に外部動力を入力した場合にはトルクのみ加算できる。加えて、第１および第２ワンウェイクラッチを備えているので、電動機のみの駆動により走行する場合や、電動機でエネルギ回生による発電を行う場合に、外部動力源が余分な負荷にならず、電動機の効率が低下しない。したがって、電気自動車やハイブリッド車両への搭載に適する。
請求項２に係る発明では、２つのモータユニットと、一端のモータユニットの回転子と他端のモータユニットの固定子とを直接に連結して構成した複合回転子とを備えるので、出力軸では２つのモータユニットの相対回転数を加算した回転数を得ることができる。
請求項３に係る発明では、３つ以上の前記モータユニットと、他端以外のモータユニットの回転子と隣接する次のモータユニットの固定子とをそれぞれ連結して構成した２つ以上の複合回転子とを備えるので、出力軸は各モータユニットの相対回転数を全て加算した回転数で回転する。したがって、モータユニット数を増やすことで一層大きな出力回転数を得ることができる。また、同じ出力回転数を得るために個々のモータユニットの回転数範囲を一層狭くでき、小形化、高効率化の効果が顕著になる。
請求項４に係る発明では、各モータユニットの出力トルクは、一端側から他端側へ向かうにつれて順次減少するか、あるいはほぼ同じになっている。これにより、各モータユニットの相対回転数の加算が可能になる。
請求項５に係る発明では、各モータユニットの固定子および回転子は電磁鋼板を積層して構成したコアを有し、各複合回転子は、連結されている回転子と固定子の間を磁気的に分離する磁気分離部を有している。したがって、複合回転子内におけるモータユニット間の磁気的な干渉を抑制でき、多重回転子形電動機を高効率化、動作安定化できる。
請求項６に係る発明では、各モータユニットは、相対回転数と出力トルクとの関係を示す出力特性が互いにほぼ同一となっている。したがって、各モータユニットは出力回転数を等分割して分担でき、回転数範囲が最も狭くなって、モータユニットの小形化、低コスト化の効果が顕著となる。また、各モータユニットにほぼ同一の電気入力を供給すればよいので、電源部は単一の通電制御部を有すればよく、配線も簡易かつ制御も容易で動作が安定化し、コストも低廉にできる。
請求項７に係る発明では、各モータユニットは、電気入力を制御することで相対回転数と出力トルクとの関係を示す出力特性を互いにほぼ同一にすることができる。したがって、各モータユニットにそれぞれ通電制御部を設けて電気入力を協調制御することにより、各モータユニットは出力回転数を等分割して分担でき、回転数範囲が最も狭くなって、小形化、低コスト化の効果が顕著となる。
請求項８に係る発明では、少なくともひとつの回転子をケースに対して制動および停止する制動停止機構を備え、あるいは、少なくともひとつの回転子を他の回転子に対して同期および結合する同期結合機構を備えている。或る回転子をケースに対して停止すると、当該回転子よりも一端側のモータユニットを停止し、当該回転子よりも他端側のモータユニットのみを用いて出力回転数を得ることになる。また、或る回転子を他の回転子に対して結合すると、当該両回転子の間のモータユニットを停止し、前後に残されたモータユニットのみを用いて出力回転数を得ることになる。このように、一部のモータユニットのみを用いて出力回転数を得ることにより、停止したモータユニットの鉄損や銅損、ならびに機械系の風損および軸受損失などをなくすことができる。つまり、要求される出力回転数が小さいときに一部のモータユニットのみを用いることで、電動機全体としての効率を改善できる。
請求項９に係る発明では、各モータユニットは三相交流電動機であり、電源部の通電制御部は各前記三相交流電動機をまとめて駆動できるひとつのインバータ装置とされている。それぞれのモータユニットは異なる構造、方式であってもよいが、廉価な三相交流電動機を共通に用い、これらをまとめて駆動できる通電制御部としてひとつのインバータ装置を用いることができる。これにより、モータユニットだけでなく、電源部の通電制御部の低コスト化を実現できる。
請求項１０に係る発明では、各三相交流電動機の固定子および回転子のいずれかは三相Ｙ結線のコイルを有し、各三相交流電動機のコイルを直列接続し、一端の三相交流電動機のコイルにインバータ装置を接続し、他端の三相交流電動機のコイルに三相Ｙ結線の中性点を設けている。このため、電気入力を供給するための電気配線が簡素化され、また、相対回転数を有する箇所で電気入力を受け渡す回転給電部の箇所数および回転数差が低減される。したがって、電源部の通電制御部の低コスト化や、回転給電部の動作安定化および信頼性向上を実現できる。
第１実施形態の多重回転子形電動機の本体部の構成を概念的に説明する断面図である。 図１中の電源部のインバータ装置と各モータユニットの三相コイルとの電気接続を示す結線図である。 図２中の回転給電部を説明する図であり、（１）はブラシ方式、（２）はロータリトランス方式の構成例である。 図１中のアウターおよびインナーモータユニットの出力特性、ならびに多重回転子形電動機の出力特性を説明する図である。 第１実施形態の多重回転子形電動機の全体構成を概念的に説明する断面図である。 第２実施形態の多重回転子形電動機を説明する図であり、（１）は本体部の構成の概念的な断面図、（２）は電源部のインバータ装置と各モータユニットの三相コイルとの電気接続を示す結線図である。 第３実施形態の多重回転子形電動機を説明する図であり、（１）は本体部の構成の概念的な断面図、（２）は電源部のインバータ装置と各モータユニットの三相コイルとの電気接続を示す結線図である。 第１実施形態の多重回転子形電動機の本体部の実態構成の同軸内外配置例を説明する断面図である。 第１実施形態とは各モータユニットの配置が異なる多重回転子形電動機の本 体部の実態構成のタンデム配置例を説明する断面図である。 第４実施形態の多重回転子形電動機の本体部の実態構成を説明する断面図である。
本発明の第１実施形態の多重回転子形電動機について、図１〜図５を参考にして説明する。図１は、第１実施形態の多重回転子形電動機１の本体部の構成を概念的に説明する断面図であり、電動機１の本体部のうちインナーモータユニット３の回転子３５以外は回転軸線ＡＸの片側半分のみが示されている。図２は、図１中の電源部５のインバータ装置５２、５３と各モータユニット２、３の三相コイル２２、３２との電気接続を示す結線図である。また、図３は、図２中の回転給電部５４を説明する図であり、（１）はブラシ方式、（２）はロータリトランス方式の構成例である。第１実施形態の多重回転子形電動機１は２つのモータユニットを備える電動機であり、図１に示されるように、アウターモータユニット２、インナーモータユニット３、電源部５、などで構成されている。
アウターモータユニット２は、電源部５の第１インバータ装置５２から供給される電気入力に従い相対回転数が変化する固定子２１および回転子２５を有する本発明の一端のモータユニットに相当する。アウターモータユニット２は、図略のケースに固定された固定子２１および固定子２１の内周側に配置された回転子２５を有している。固定子２１は、略円筒状で電磁鋼板を積層して構成したコアを有し、コアに形成された凸状のティースに三相コイル２２が巻回形成されている。回転子２５は、略円筒状で電磁鋼板を積層して構成したコアを有し、コア内には永久磁石が埋め込まれている。そして、固定子２１の三相コイル２２と回転子２５の永久磁石および突磁極との電磁消去作用により、アウターモータユニット２は三相交流同期電動機として機能するようになっている。
インナーモータユニット３は、電源部５の第２インバータ装置５３から供給される電気入力に従い相対回転数が変化する固定子３１および回転子３５を有する本発明の他端のモータユニットに相当する。インナーモータユニット３は、固定子３１および固定子３１の内周側に配置された回転子３５を有している。固定子３１は、略円筒状で電磁鋼板を積層して構成したコアを有し、コアに形成された凸状のティースに三相コイル３２が巻回形成されている。回転子３５は、略円柱状で電磁鋼板を積層して構成したコアを有し、コア内には永久磁石が埋め込まれている。そして、固定子３１の三相コイル３２と回転子３５の永久磁石および突磁極との電磁消去作用により、アウターモータユニット２は三相交流同期電動機として機能するようになっている。回転子３５の回転軸心には出力軸３６が貫設されており、出力軸３６は図略のケースに回転自在に軸承されている。
アウターモータユニット２の回転子２５と、インナーモータユニット３の固定子３１とを直接に連結して複合回転子４が構成されている。回転子２５と固定子３１との間には、非磁性材料を用いて構成された磁気分離部４１が配置され、回転子２５と固定子３１とを磁気的に分離している。また、回転子２５および固定子３１のコア中のヨーク幅を十分広くして相互の磁気漏洩を抑制することで磁気分離部４１を形成してもよい。磁気分離部４１により、アウターモータユニット２とインナーモータユニット３とが、磁気的に干渉せず独立して動作するようになっている。複合回転子４は、回転軸線ＡＸの方向に延在して共に回転する円筒状の中間軸４２を有し、中間軸４２の外周面にはメカブレーキ４３および回転給電部５４が配設されている。
メカブレーキ４３は、ひとつの回転子をケースに対して制動および停止する本発明の制動停止機構に相当し、複合回転子４すなわちアウターモータユニット２の回転子２５をケースに対して制動および停止するようになっている。メカブレーキ４３は、例えば、中間軸４２と共に回転するクラッチプレート４３１と、ケース側に設けられてクラッチプレート４３１に圧接および離隔されるプレッシャープレート４３２と、プレッシャープレート４３２を駆動する図略の油圧駆動手段とで構成することができる。
電源部５は、アウターおよびインナーモータユニット２、３の各固定子２１、３１の三相コイル２２、３２に電力を供給するものである。電源部５は、直流電源装置５１、第１インバータ装置５２、第２インバータ装置５３、前述の回転給電部５４、インバータ制御部５５、などにより構成されている。直流電源装置５１には、例えばバッテリが用いられ、その出力端子は第１および第２インバータ装置５２、５３に接続されて直流電圧＋Ｖが供給される。また、直流電源装置５１の出力端子間には、直流電圧＋Ｖの安定化およびインバータノイズの流入阻止のためにコンデンサ５１１が設けられている。
第１および第２インバータ装置５２、５３は通電制御部に相当し、図２に示されるように周知の直流／三相交流変換回路で構成されている。第１インバータ装置５２から出力される三相交流電圧Ｅ１は、アウターモータユニット２のＹ結線の三相コイル２２（２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ）に直接入力される。一方、第２インバータ装置５３から出力される三相交流電圧Ｅ２は、インナーモータユニット３のＹ結線の三相コイル３２（３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗ）に、回転給電部５４を介して入力される。第１および第２インバータ装置５２、５３が出力する各三相交流電圧Ｅ１、Ｅ２の周波数や波形は、インバータ制御部５５により独立して制御されるようになっている。
回転給電部５４には、図３に示されるブラシ方式またはロータリトランス方式の構成例を採用できる。図３（１）に示されるブラシ方式の回転給電部５４Ａは、ブラシ５４１、スリップリング５４２、およびスプリング５４３で構成されている。ブラシ５４１は、固定子側に配設され、第２インバータ装置５３の出力端子に接続されている。スリップリング５４２は、回転子側の中間軸４２の外周面を周回して配設され、インナーモータユニット３の三相コイル３２に接続されている。スプリング５４３は、固定子側に配設され、ブラシ５４１をスリップリング５４２に常時圧接している。この構成により、静止したブラシ５４１から相対回転するスリップリング５４２に三相交流電圧Ｅ２を給電できる。
また、図３（２）に示されるロータリトランス方式の回転給電部５４Ｂは、送電用巻線５４５、および受電用巻線５４７で構成されている。送電用巻線５４５は、固定子側に配設され、第２インバータ装置５３の出力端子に接続されている。一方、受電用巻線５４７は、送電用巻線５４５の内周側に離隔し回転子側の中間軸４２と一体的に回転するように配設され、インナーモータユニット３の三相コイル３２に接続されている。送電用巻線５４５および受電用巻線５４７は、それぞれＹ結線中性点５４６、５４８を有してＹ−Ｙ結線されており、他の結線方式を用いることもできる。この構成により、静止した送電用巻線５４５から相対回転する受電用巻線５４７に、磁気結合を介して非接触で三相交流電圧Ｅ２を給電できる。
次に、上述のように構成された第１実施形態の多重回転子形電動機１の本体部の作用および効果について説明する。図４は、図１中のアウターおよびインナーモータユニット２、３の出力特性、ならびに多重回転子形電動機１の出力特性を説明する図である。出力特性は、横軸の相対回転数Ｎと縦軸の出力トルクＴとの関係で示されている。図１に示されるように、アウターモータユニット２およびインナーモータユニット３は同軸外側と内側に配置されるが、設計諸元を考慮しかつ三相交流電圧Ｅ１、Ｅ２を適宜制御して供給することで、出力特性を互いに同一にすることができる。例えば、アウターモータユニット２およびインナーモータユニット３の出力特性を、図４に示される出力特性１に揃えることができる。出力特性１は、相対回転数Ｎ＝ｎ１〜ｎ２（ｎ１＜ｎ２）の範囲で規定され、相対回転数ｎ１のときの出力トルクＴ＝Ｔ１、相対回転数ｎ２のときの出力トルクＴ＝Ｔ２（Ｔ１＞Ｔ２）で、右下がりの曲線となっている。
このとき、多重回転子形電動機１の出力軸３６の出力特性は、アウターモータユニット２およびインナーモータユニット３の出力特性１を合成した合成特性２となる。すなわち、出力軸３６のケースに対する出力回転数ＮＯの範囲は、出力特性１が２個分加算されて出力回転数ＮＯ＝２×ｎ１〜２×ｎ２となる。また、出力軸３６の出力トルクＴＯの範囲は、出力特性１の出力トルクの範囲に一致する（出力トルクＴＯ＝Ｔ２〜Ｔ１）。
ここで、一般的なモータユニットでは、相対回転数Ｎ＝１５０００〜２００００ｒｐｍ程度が技術的な限界となっている。これを超過すると、インバータ装置の制御周波数が増加して通電損失が増加し、実用的でなくなるからである。本実施形態によれば、単独のモータユニットの２倍の３００００〜４００００ｒｐｍを実現でき、一般的には実現し得ない大きな出力回転数を得ることができる。逆に、例えば６０００ｒｐｍの出力回転数を得るために、アウターモータユニット２およびインナーモータユニット３の最高回転数はそれぞれ３０００ｒｐｍでよい。したがって、回転数範囲が狭いことから小形に構成でき、各モータユニット２，３の鉄損や銅損、電源部５のインバータ通電損失も低減できる。これにより、総合的に小形化、高効率化、低コスト化を達成した多重回転子形電動機１を提供でき、電気自動車やハイブリッド車両への搭載にも適する。
また、複合回転子４のアウターモータユニット２の回転子２５とインナーモータユニット３の固定子３１との間に設けられた磁気分離部４１は、両者２５、３１のコアを磁気的に分離している。これにより、アウターモータユニット２とインナーモータユニット３とが、磁気的に干渉せず独立して動作し、多重回転子形電動機１を高効率化、動作安定化できる。
さらに、複合回転子４の中間軸４２とケースとの間に設けられたメカブレーキ４３により、複合回転子４を強制的に停止させることができる。これにより、要求される出力回転数が小さいときに、インナーモータユニット３のみを用いて出力回転数を得、アウターモータユニット２における鉄損や機械系の風損および軸受損失などをなくし、電動機１全体での効率を改善できる。
次に、第１実施形態の多重回転子形電動機１の全体構成について説明する。図５は、第１実施形態の多重回転子形電動機１の全体構成を概念的に説明する断面図であり、電動機１の本体部のうちインナーモータユニット３の回転子３５以外は回転軸線ＡＸの片側半分のみが示されている。図示されるように、第１実施形態の多重回転子形電動機１の全体構成は、図１の本体部の構成に第１および第２入力軸６１、６２を付加した構成となっている。
第１入力軸６１は、第１ワンウェイクラッチ６３を介して複合回転子４に連結され、アウターモータユニット２の回転子２５に外部動力を入力できるようになっている。また、第２入力軸６２は、第２ワンウェイクラッチ６４を介して出力軸３６に連結され、インナーモータユニット３の回転子３５に外部動力を入力できるようになっている。第１および第２入力軸６１、６２は、エンジン６９から出力される動力を選択的に入力できるように構成されている。なお、第１および第２入力軸６１、６２のいずれか一方のみを付加してもよい。
第１実施形態の多重回転子形電動機１は、ハイブリッド車両に搭載する走行駆動源を主たる用途としている。この用途で、第１入力軸６１にエンジン６９の動力を入力した場合、アウターモータユニット２によりトルクを加算でき、さらにインナーモータユニット３により回転数およびトルクを加算できる。また、第２入力軸６２にエンジン６９の動力を入力した場合、回転数は加算できず、インナーモータユニット３によりトルクのみ加算できる。さらに、第１および第２ワンウェイクラッチ６３、６４を備えているので、電動機１のみの駆動により走行する場合や、車両制動時に電動機１でエネルギ回生による発電を行う場合に、エンジン６９の出力軸が遊転する。したがって、エンジン６９が余分な負荷にならず、電動機１の効率が低下しない。
次に、電源部５０のインバータ装置５９をひとつに共通化した第２および第３実施形態の多重回転子形電動機１１、１２について説明する。図６は、第２実施形態の多重回転子形電動機１１を説明する図であり、（１）は本体部の構成の概念的な断面図、（２）は電源部５０のインバータ装置５９と各モータユニット２、３の三相コイル２２、３２との電気接続を示す結線図である。また、図７は、第３実施形態の多重回転子形電動機１２を説明する図であり、（１）は本体部の構成の概念的な断面図、（２）は電源部５００のインバータ装置５９と各モータユニット２、３の三相コイル２２、３２との電気接続を示す結線図である。
図６に示されるように、第２実施形態の多重回転子形電動機１１の電源部５０は、三相交流電動機であるアウターモータユニット２およびインナーモータユニット３をまとめて駆動できるひとつのインバータ装置５９を備えている。アウターモータユニット２のＹ結線の三相コイル２２およびインナーモータユニット３のＹ結線の三相コイル３２は、インバータ装置５９に対して並列接続されている。したがって、インバータ装置５９から出力される三相交流電圧ＥＣは、両方の三相コイル２２、３２に並列入力される。
また、図７に示されるように、第３実施形態の多重回転子形電動機１２の電源部５００も、三相交流電動機であるアウターモータユニット２およびインナーモータユニット３に共通なひとつのインバータ装置５９を備えている。しかしながら、アウターモータユニット２のＹ結線の三相コイル２２およびインナーモータユニット３のＹ結線の三相コイル３２が直列接続される点が異なる。したがって、インバータ装置５９から出力される三相交流電圧ＥＣは、まずアウター側の三相コイル２２に入り、次いでインナー側の三相コイル３２を通り、インナー側に設けられたＹ結線中性点３２Ｎに達する。
第２および第３実施形態で、同じ入力電圧に対するアウターモータユニット２およびインナーモータユニット３の出力特性が一致していれば、両モータユニット２、３は出力回転数を半分ずつ均等に分担する。出力特性が一致していなければ、両モータユニット２、３による出力回転数の分担は不均等になるが、各モータユニット２、３の相対回転数を加算した出力回転数が得られる効果に変わりはない。
第２および第３実施形態では、アウターモータユニット２およびインナーモータユニット３に廉価な三相交流電動機を共通に用いることもできる。したがって、各モータユニット２、３が低廉であり、電源部５０の通電制御部がひとつのインバータ装置５９からなるため低コストであり、低コスト化を達成した多重回転子形電動機１１、１２を提供できる。
次に、概念的に説明した第１実施形態の多重回転子形電動機１の本体部の実態構成を実施例で説明する。図８は、第１実施形態の多重回転子形電動機１の本体部の実態構成の同軸内外配置例を説明する断面図である。同軸内外配置例では、アウターおよびインナーモータユニット２、３は、回転軸線ＡＸを共通として同軸外側と内側に配置される。また、図９は、第１実施形態とは各モータユニット２、３の配置が異なる多重回転子形電動機１３の本体部の実態構成のタンデム配置例を説明する断面図である。タンデム配置例では、アウターおよびインナーモータユニット２、３は、回転軸線ＡＸを共通として回転軸線ＡＸ方向に並んで配置される。
図８に示される同軸内外配置例で、アウターモータユニット２の固定子２１はケース７の内面に固定され、固定子２１の内周側に回転子２５が配置されている。アウターモータユニット２の回転子２５の内周側に、磁気分離部４１を介してインナーモータユニット３の固定子３１が連結されて複合回転子４が構成されている。複合回転子４は、回転軸線ＡＸ方向両側に延びる円筒状の中間軸４２を有している。中間軸４２は、回転軸線ＡＸ方向の両側で縮径され、縮径された一側（図中左側）の外周面に回転給電部５４が配設されている。中間軸４２の縮径された両側の端部４２１の外周面とケース７との間に一対の第１軸受け部７１が配設されている。第１軸受け部７１により、中間軸４２はケース７に回転自在に軸承されている。
また、インナーモータユニット３の固定子３１の内周側に回転子３５が配置されている。回転子３５の中心には出力軸３６が貫設されている。出力軸３６は回転軸線ＡＸ方向両側に延在し、その両端部３６１はケース７の外部に突出している。出力軸３６の端部３６１寄りの外周面と中間軸４２の端部４２１の内周面との間に一対の第２軸受け部７２が配設されている。第２軸受け部７２により、出力軸３６は中間軸４２に回転自在に軸承されている。なお、電源部５は、図８では省略されている。
図８の同軸内外配置例では、第１軸受け部７１にはアウターモータユニット２の相対回転数が作用し、第２軸受け部７２にはインナーモータユニット３の相対回転数が作用する。つまり、第１および第２軸受け部７１、７２に作用する回転数は、出力軸３６のケース７に対する出力回転数よりも小さくなり、受けるストレスが小さくなって信頼性が向上する。反面、アウターモータユニット２とインナーモータユニット３の製作寸法諸元が大きく異なるので、両モータユニット２、３の出力特性を揃えるためには精緻な設計検討が必要となる。
図９に示されるタンデム配置例で、アウターモータユニット２の固定子２１はケース７の内面に固定され、固定子２１の内周側に回転子２５が配置されている。回転子２５の中心には中間軸４６が貫設されている。中間軸４６の回転軸線ＡＸ方向の一側（図中左側）は延在し、その一端部４６１がケース７の外部に突出している。中間軸４６の一端部４８１寄りの外周面とケース７との間に第３軸受け部７３が配設されている。また、中間軸４６の回転軸線ＡＸ方向の他側（図中右側）には回転給電部５４が配設され、さらにその端部側は拡径されて有底円筒部４６２となっている。有底円筒部４８２の内周面にインナーモータユニット３の固定子３１が連結されて複合回転子４が構成されている。本実施例では、アウターモータユニット２の回転子２５とインナーモータユニット３の固定子３１との間は十分に離隔しており、磁気分離部は不要である。
インナーモータユニット３の固定子３１の内周側に回転子３５が配置されている。回転子３５の中心には出力軸３７が貫設されている。出力軸３７の回転軸線ＡＸ方向の一側（図中右側）は延在し、その一端部３７１がケース７の外部に突出している。出力軸３７の一端部３７１寄りの外周面とケース７との間に第４軸受け部７４が配設されている。出力軸３７は回転軸線ＡＸ方向の他側（図中左側）にも延在しており、その他端部３７２と中間軸４８の有底円筒部４８２との間に第５軸受け部７５が配設されている。中間軸４８および出力軸３７は、第３〜第５軸受け部７３〜７５の協働により、ケース７に回転自在に軸承されている。なお、電源部５は、図９では省略されている。
図９のタンデム配置例では、第３軸受け部７３にはアウターモータユニット２の相対回転数が作用し、第５軸受け部７５にはインナーモータユニット３の相対回転数が作用する。そして、第４軸受け部７４にはケース７に対する出力軸３７の回転数、すなわち、両モータユニット２、３の相対回転数を加算した大きな回転数が作用する。したがって、特に出力回転数を大きくしたい場合には、潤滑用のオイルを直接噴射するなどの方策により、第４軸受け部７４の性能向上、信頼性向上を図ることが好ましい。反面、アウターモータユニット２とインナーモータユニット３の製作寸法諸元が類似するので、両モータユニット２、３の出力特性を揃えることは比較的容易である。
次に、３つのモータユニットを備える第４実施形態の多重回転子形電動機１４について説明する。図１０は、第４実施形態の多重回転子形電動機１４の本体部の実態構成を説明する断面図である。この多重回転子形電動機１４は、図９に示されるタンデム配置例に加えて、アウターモータユニット２とインナーモータユニット３との間にミドルモータユニット８を回転軸線ＡＸ方向に並べて配置したものである。ミドルモータユニット８は、電源部から供給される電気入力に応じて相対回転数が変化する固定子８１および回転子８５を有する本発明のモータユニットに相当する。
第４実施形態のアウターモータユニット２およびインナーモータユニット３の構造は、図９と同一である。アウターモータユニット２の回転子２５に貫設された第１中間軸４７の回転軸線ＡＸ方向の一側（図中左側）は延在し、その一端部４７１がケース７の外部に突出している。第１中間軸４７の一端部４７１寄りの外周面とケース７との間に第３軸受け部７３が配設されている。また、第１中間軸４７の回転軸線ＡＸ方向の他側（図中右側）には第１回転給電部５４Ｘが配設され、さらにその端部側は拡径されて有底円筒部４７２となっている。有底円筒部４７２の内周面にミドルモータユニット８の固定子８１が連結されて第１複合回転子４Ｘが構成されている。アウターモータユニット２の回転子２５とミドルモータユニット８の固定子８１との間は十分に離隔しており、磁気分離部は不要である。
ミドルモータユニット８の固定子８１の内周側に回転子８５が配置されている。回転子８５の中心には第２中間軸４８が貫設されている。第２中間軸４８の回転軸線ＡＸ方向の一側（図中右側）は延在し、その一端部４８１と第１中間軸４７の有底円筒部４７２との間に第６軸受け部７６が配設されている。第２中間軸４８の回転軸線ＡＸ方向の他側（図中右側）には第２回転給電部５４Ｙが配設され、さらにその端部側は拡径されて有底円筒部４８２となっている。有底円筒部４８２の内周面にインナーモータユニット３の固定子３１が連結されて第２複合回転子４Ｙが構成されている。
インナーモータユニット３の固定子３１の内周側に回転子３５が配置されている。回転子３５に貫設された出力軸３７の回転軸線ＡＸ方向の一側（図中右側）は延在し、その一端部３７１がケース７の外部に突出している。出力軸３７の一端部３７１寄りの外周面とケース７との間に第４軸受け部７４が配設されている。出力軸３７は回転軸線ＡＸ方向の他側（図中左側）にも延在しており、その他端部３７２と第２中間軸４８の有底円筒部４８２との間に第７軸受け部７７が配設されている。第１中間軸４７、第２中間軸４８、および出力軸３７は、第３、第４、第６、第７軸受け部７３、７４、７６、７７の協働により、ケース７に回転自在に軸承されている。
なお、ミドルモータユニット８の固定子８１上の三相コイル８２への電気入力は第１回転給電部５４Ｘを経由して行われ、インナーモータユニット３の三相コイル３２への電気入力の供給は第１および第２回転給電部５４Ｘ、５４Ｙを順次経由して行われる。これにより、ケース７から第２回転給電部５４Ｙに直接給電する場合と比較して、第２回転給電部５４Ｙにおける回転数差が低減される。したがって、第２回転給電部５４Ｙの長寿命化、高信頼化の効果が生じ、特にブラシ方式の回転給電部５４Ａを適用する場合に顕著となる。
第４実施形態の多重回転子形電動機１４は、３つのモータユニット２、３、８を備えるので一層大きな出力回転数を得ることができる。また、同じ出力回転数を得るために個々のモータユニット２、３、８の回転数範囲を一層狭くでき、小形化、高効率化の効果が顕著になる。
なお、各実施形態および実施例で、複合回転子４、４Ｘ，４Ｙおよび出力軸３６、３７の回転位相を検出する回転角度センサを設け、インバータ制御部５５で回転位相を参照しつつ制御を行うことが好ましい。
また、固定子２１、３１、８１および回転子２５、３５、８５を同軸内外に配置したモータユニット２、３、８を例示したが、これに限定されず、固定子および回転子を軸線方向に並べた構造のモータユニットであってもよい。各モータユニットの方式は問わず、同期電動機、誘導電動機、直流電動機などが使え、組み合わせも自由である。さらに、４つ以上のモータユニットを組み合わせることも可能である。本発明は、その他様々な変形や応用が可能である。
１、１１〜１４：多重回転子形電動機
２：アウターモータユニット ２１：固定子 ２２：三相コイル ２５：回転子
３：インナーモータユニット ３１：固定子 ３２：三相コイル ３５：回転子
３６、３７：出力軸
４：複合回転子 ４Ｘ：第１複合回転子 ４Ｙ：第２複合回転子
４１：磁気分離部 ４２：中間軸 ４３：メカブレーキ
４６：中間軸 ４７：第１中間軸 ４８：第２中間軸
５、５０、５００：電源部
５１：直流電源装置 ５２：第１インバータ装置（通電制御部）
５３：第２インバータ装置（通電制御部） ５４：回転給電部
５４Ａ：ブラシ方式の回転給電部 ５４Ｂ：ロータリトランス方式の回転給電部
５４Ｘ：第１回転給電部 ５４Ｙ：第２回転給電部
５５：インバータ制御部
５９：複数の三相交流電動機をまとめて駆動できるインバータ装置
６１、６２：第１および第２入力軸
６３，６４：第１および第２ワンウェイクラッチ ６９：エンジン
７：ケース ７１〜７７：第１〜第７軸受け部
８：ミドルモータユニット ８１：固定子 ８２：三相コイル ８５：回転子

Claims (10)

  1. 電源部から供給される電気入力に従い相対回転数が変化する固定子および回転子をそれぞれ有する複数のモータユニットと、
    一端のモータユニットの固定子を固定するケースと、
    一端のモータユニットの回転子と他端のモータユニットの固定子とを直接に、あるいは別のモータユニットを介し間接に連結して構成した複合回転子と、
    他端のモータユニットの回転子に連結され、かつ前記ケースに回転自在に軸承された出力軸と、
    第１ワンウェイクラッチを介して前記複合回転子に連結され外部動力を入力可能な第１入力軸、および第２ワンウェイクラッチを介して前記出力軸に連結され外部動力を入力可能な第２入力軸の少なくとも一方と、
    を備えることを特徴とする多重回転子形電動機。
  2. 請求項１において、２つの前記モータユニットと、一端のモータユニットの回転子と他端のモータユニットの固定子とを直接に連結して構成した複合回転子と、を備えることを特徴とする多重回転子形電動機。
  3. 請求項１において、３つ以上の前記モータユニットと、他端以外のモータユニットの回転子と隣接する次のモータユニットの固定子とをそれぞれ連結して構成した２つ以上の複合回転子と、を備えることを特徴とする多重回転子形電動機。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項において、各前記モータユニットの出力トルクは、一端側から他端側へ向かうにつれて順次減少するか、あるいはほぼ同じであることを特徴とする多重回転子形電動機。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項において、各前記モータユニットの固定子および回転子は電磁鋼板を積層して構成したコアを有し、各前記複合回転子は、連結されている回転子と固定子との間を磁気的に分離する磁気分離部を有することを特徴とする多重回転子形電動機。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項において、各前記モータユニットは、前記相対回転数と出力トルクとの関係を示す出力特性が互いにほぼ同一であることを特徴とする多重回転子形電動機。
  7. 請求項１〜５のいずれか一項において、各前記モータユニットは、前記電気入力を制御することで前記相対回転数と出力トルクとの関係を示す出力特性を互いにほぼ同一にしたことを特徴とする多重回転子形電動機。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項において、少なくともひとつの回転子を前記ケースに対して制動および停止する制動停止機構を備え、あるいは、少なくともひとつの回転子を他の回転子に対して同期および結合する同期結合機構を備えることを特徴とする多重回転子形電動機。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項において、各前記モータユニットは三相交流電動機であり、前記電源部の通電制御部は各前記三相交流電動機をまとめて駆動できるひとつのインバータ装置であることを特徴とする多重回転子形電動機。
  10. 請求項９において、各前記三相交流電動機の固定子および回転子のいずれかは三相Ｙ結線のコイルを有し、各前記三相交流電動機の前記コイルを直列接続し、一端の三相交流電動機のコイルに前記インバータ装置を接続し、他端の三相交流電動機のコイルに三相Ｙ結線の中性点を設けたことを特徴とする多重回転子形電動機。
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