WO2012081374A1 - 多重回転子形電動機 - Google Patents

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WO2012081374A1
WO2012081374A1 PCT/JP2011/077151 JP2011077151W WO2012081374A1 WO 2012081374 A1 WO2012081374 A1 WO 2012081374A1 JP 2011077151 W JP2011077151 W JP 2011077151W WO 2012081374 A1 WO2012081374 A1 WO 2012081374A1
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WO
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rotor
winding
stator
phase
magnetic field
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Application number
PCT/JP2011/077151
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English (en)
French (fr)
Inventor
佐久間　昌史
Original Assignee
アイシン精機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/02—Machines with one stator and two or more rotors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
    • B60L50/15—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines with additional electric power supply
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor, and more particularly to a multi-rotor electric motor having a plurality of rotors.
  • Hybrid vehicles are equipped with an engine and an electric motor as drive sources, and can be driven by the electric motor or driven by the electric motor alone.
  • a three-phase AC motor is used as the electric motor, and the running speed is generally variably controlled by energization control with an inverter device.
  • a multiple rotor electric motor having a plurality of rotors has been proposed.
  • a vehicle transmission disclosed in Patent Document 1 includes a first rotating electrical machine that is connected to an engine and functions as at least a generator, a second rotating electrical machine that is coupled to a wheel shaft and functions as at least an electric motor, The first and second driving means for driving the second rotating electrical machine and a control means are provided, and an object is to generate a larger torque when the vehicle starts from the control means.
  • 1st Embodiment shown by FIG. 1 of patent document 1 is provided with the 1st and 2nd rotary electric machine by another body, and the aspect to which another inverter is each connected is disclosed.
  • the third embodiment shown in FIG. 8 discloses an aspect of a double rotor structure constituted by the first and second rotating electrical machines.
  • a brush is used to extract electric power from a first rotor that is connected to an engine and wound with a three-phase winding.
  • a big creep torque can be generated when the vehicle starts.
  • the electric continuously variable transmission of Patent Document 2 includes a main motor having a double rotor structure, a sub motor that adjusts the torque of the output shaft, and a main and sub inverter.
  • the main motor includes a first rotor that is directly connected to the engine and rotates, and a second rotor that drives the axle. It is described that the first rotor is provided with a three-phase winding and current is supplied from an inverter, and it is estimated that a member corresponding to the brush of Patent Document 1 is provided.
  • JP 2005-47396 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-42600
  • Patent Document 1 since the two rotating electric machines (motor units) are provided separately, the apparatus becomes large and the cost increases. For this reason, a double rotor structure electric motor that integrates two rotating electric machines to reduce the size and cost is disclosed in the third embodiment of Patent Document 1 and Patent Document 2, but rotates.
  • a rotating power supply unit such as a brush is provided. Therefore, the effect of downsizing is reduced by the space of the rotary power feeding unit. In addition, maintenance is required for wear and fatigue of the rotating power feeding portion due to use over time, which increases running costs.
  • an inverter for power supply is provided in each of the two rotating electric machines, and the manufacturing cost is also increased.
  • the present invention has been made in view of the problems of the above-described background art, and by combining a plurality of motor units and driving them with a single power supply unit, high-speed rotation, downsizing, cost reduction, and An object to be solved is to provide a multi-rotor motor that realizes maintenance-free operation.
  • the invention of a multi-rotor electric motor according to claim 1 for solving the above-described problem is provided by a stator having a stator winding for forming a stator rotating magnetic field and fixed to a case, and the stator rotating magnetic field.
  • a rotating field part that generates torque by electromagnetic interaction, an induction winding that generates an induced electromotive force by electromagnetic induction action with the stator rotating magnetic field, and the stator rotating magnetic field that is electrically connected to the induction winding
  • Output that generates torque by electromagnetic interaction between the rotor rotating magnetic field and a composite rotor that is rotatably supported by the case and has a rotor winding that forms a rotor rotating magnetic field in the same rotational direction as
  • Output shaft Two different alternating current
  • the torque T2 between the wire and the rotating field part is the torque Tout between the rotor winding and the output field part
  • the magnetic flux ⁇ 1 ⁇ the magnetic flux ⁇ 2 and the torque T1 ⁇ the above
  • the rotation speed n1 when the rotation direction of the first stator rotating magnetic field and the second stator rotating magnetic field is the same, the rotation speed n1 ⁇ the rotation speed n2 and When the rotation direction of the first stator rotating magnetic field and the second stator rotating magnetic field is different, the rotation speed n1 is expressed as a negative value, and 0 ⁇ (the absolute value of the rotation speed n1) ⁇ (2 ⁇ the rotation speed n2). It is.
  • a core included in the rotating field portion of the composite rotor and the induction winding and a core included in the rotor winding. It has a magnetic separation part that magnetically separates them.
  • the invention according to claim 5 is the first motor unit according to any one of claims 1 to 4, comprising the stator winding of the stator and the rotating field portion of the composite rotor;
  • the second motor unit composed of the rotor winding of the composite rotor and the output field portion of the rotor have substantially the same output characteristics indicating the relationship between the rotational speed and torque.
  • the second motor unit can output up to twice the number of rotations of the first motor unit.
  • the invention according to claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the stator winding of the stator, the induction winding and the rotor winding of the composite rotor are all three-phase connected. In addition, the induction winding and the rotor winding are electrically connected with two phases interchanged.
  • the invention according to claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the stator winding of the stator, the induction winding and the rotor winding of the composite rotor are all the same coil.
  • the arrangement order of the phases in the circumferential direction also matches.
  • the invention according to claim 9 is the invention according to claim 8, wherein the induction winding and the rotor winding of the composite rotor are three-phase connected, and three of the induction windings of the composite rotor in the circumferential direction are connected. The phase position and the three-phase position of the rotor winding coincide.
  • the invention according to a tenth aspect is the invention according to any one of the sixth to ninth aspects, wherein each of the phase terminals is configured by performing Y-connection or ⁇ -connection in the induction winding and the rotor winding of the composite rotor. And any two phases of the corresponding phase terminals of the induction winding and the rotor winding are switched and electrically connected.
  • the invention according to claim 11 is the invention according to any one of claims 1 to 6, wherein a toroidal coil group is used instead of the induction winding and the rotor winding of the composite rotor.
  • the first motor unit is composed of the stator winding of the stator and the rotating field portion of the composite rotor, and the rotor winding and the rotor of the composite rotor.
  • the second motor unit is composed of the output field portion.
  • torque is generated by the electromagnetic interaction between the stator winding of the stator and the rotating field portion of the composite rotor, so that the stator rotating magnetic field formed by two alternating currents having different frequencies is generated.
  • the composite rotor rotates in synchronization with one side.
  • the synchronized rotating magnetic field does not change, and only the other rotating magnetic field changes including the rotational speed of the composite rotor.
  • an induced electromotive force is generated in the induction winding, and the rotor winding forms a rotor rotating magnetic field in the same rotation direction as the rotation of the composite rotor by optimizing the electrical connection with the rotor winding. can do. That is, in the second motor unit, it is possible to form a rotor rotating magnetic field that rotates at a higher speed on the rotating composite rotor.
  • the rotor and the output shaft that rotate in synchronization with the rotor rotating magnetic field can be rotated at a high speed, and in particular, an output rotational speed larger than the rotational speed derived from the frequency of the power supply unit can be obtained.
  • the number of rotations derived from the frequency of the power supply unit means a synchronization frequency determined by the frequency of the power supply unit in a general electric motor.
  • a plurality of motor units are not provided separately, but are combined and integrated.
  • an induction electromotive force can be generated in a non-contact manner by an induction winding, and a rotating power supply unit such as a brush is unnecessary.
  • the size of the electric motor can be reduced, and the manufacturing cost is reduced.
  • the power supply unit can be realized by a single inverter device, the manufacturing cost is further reduced.
  • the rotating power feeding unit is unnecessary, maintenance-free operation can be realized and the running cost can be reduced.
  • the composite rotor rotates at the rotational speed n2 in synchronization with the rotating magnetic field of the second alternating current that generates the large torque T2 with the large magnetic flux ⁇ 2 among the first and second alternating currents.
  • the torque Tout between the rotor winding and the output field part is smaller than (torque T2-torque T1), the rotor and the output shaft are operated at high speed in synchronization with the rotor rotating magnetic field of the composite rotor.
  • the rotation of the composite rotor does not fluctuate, and the output rotation speed of the output shaft is stabilized.
  • the rotation speed n1 is smaller than the rotation speed n2, the rotating magnetic field of the magnetic flux ⁇ 1 acts in the reverse rotation direction in the induction winding on the composite rotor.
  • inductive electromotive force is generated in the induction winding in a phase opposite to that of the power supply unit, and the rotor rotating magnetic field in the same rotational direction as the rotation of the composite rotor is obtained by optimizing the electrical connection with the rotor winding.
  • the rotation speed n1 is expressed as a negative value.
  • This can be realized by controlling the phase orders of the first and second alternating currents having different frequencies to be different from each other.
  • This output shaft rotational speed Nout is approximately twice the rotational speed n2 derived from the frequency of the power supply section.
  • the invention according to claim 4 further includes a magnetic separation unit that magnetically separates the core of the rotor winding and the core of the rotor winding and the core of the rotor winding of the composite rotor. Therefore, magnetic interference between the two cores in the composite rotor is suppressed, and the first and second motor units operate independently of each other, so that the multi-rotor motor is highly efficient and stable. it can.
  • the first motor unit composed of the stator winding of the stator and the rotating field portion of the composite rotor, and the rotor winding of the composite rotor and the output field portion of the rotor
  • the output characteristics indicating the relationship between the rotational speed and the torque are substantially the same as those of the second motor unit constituted by Accordingly, the first and second motor units can rationally share the rotational speed in order to obtain a high-speed output rotational speed, and the manufacturing cost is reduced.
  • the second motor unit can output up to twice the number of rotations of the first motor unit. Therefore, it is possible to realize an output rotational speed that is three times the rotational speed derived from the frequency of the power supply unit, which is the upper limit in the present invention.
  • the stator winding of the stator, the induction winding and the rotor winding of the composite rotor are respectively connected in three phases, and the induction winding and the rotor winding are two The phases are switched and electrically connected.
  • the present invention can be configured using three-phase windings, and can be applied to the technology of a conventional three-phase AC motor or a three-phase inverter device as a power supply unit. Therefore, the operation of the multi-rotor motor is stable and economical. Also, the electrical connection can be easily optimized by switching two phases between the induction winding and the rotor winding.
  • the stator winding of the stator, the induction winding of the composite rotor, and the rotor winding all have the same coil configuration, and the arrangement order of the phases in the circumferential direction also matches. Furthermore, in the invention according to claim 9, the induction winding and the rotor winding of the composite rotor are three-phase connected, and the three-phase position of the induction winding of the composite rotor in the circumferential direction and the rotor winding The position of the three phases is the same. As a result, the coil configuration of the stator winding, the induction winding, and the rotor winding and the connection method between the coils are unified so that the manufacturing work can be easily performed and the manufacturing cost can be reduced.
  • each phase terminal is configured by performing Y connection or ⁇ connection in the induction winding and the rotor winding of the composite rotor, and the induction winding and the rotor winding correspond to each other. Two phases of each phase terminal are switched and electrically connected. Thereby, electrical connection can be easily optimized and high-speed output rotation speed can be obtained.
  • a toroidal coil group is used in place of the induction winding and the rotor winding of the composite rotor.
  • Each toroidal coil constituting the toroidal coil group can generate an induced electromotive force by an electromagnetic induction effect linked to the stator rotating magnetic field, and a current flows through the induced electromotive force to form a rotor rotating magnetic field. That is, each toroidal coil can serve as both an induction winding and a rotor winding, and the same effects as in claims 1 to 6 are produced. Furthermore, since the holding strength with which the coil is held by the core is improved, it is easy to secure the anti-centrifugal strength of the coil, and the manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 3 is an axial direction view showing a configuration of a stator, a composite rotor, and an electrical angle of 360 ° of the rotor in a straight line. It is a figure explaining the connection method and electrical connection of a stator winding, an induction winding, and a rotor winding. It is a figure which illustrates and illustrates the coil structure for the electrical angle of 360 ° of the stator winding, the induction winding, and the rotor winding when the stator side is viewed from the rotor side.
  • FIG. 6 is a graph showing the rotational speed increase rate obtained in FIG. 5. It is a table
  • FIG. 9 is an axial view seen from a linear development of a configuration of an electrical angle of 360 ° of a stator, a composite rotor, and a rotor of a multi-rotor motor of a second embodiment.
  • FIG. 10 is an axial direction view showing a configuration of an electrical angle of 360 ° of a variation of the multi-rotor electric motor of the second embodiment expanded linearly. It is a figure explaining the connection method and electric connection of the stator winding
  • FIG. 1 is a cross-sectional view conceptually illustrating the configuration of a multi-rotor motor 1 of the first embodiment.
  • the multi-rotor motor 1 of the first embodiment has a generally axisymmetric shape centered on the axis AX, and includes a case 2, a stator 3, a composite rotor 4, a rotor 5, an output shaft 6, a power supply unit 7, and the like. It consists of
  • the composite rotor 4 includes a rotating field portion 41, an induction winding 44, a rotor winding 47, and the like. In FIG. 1, only one half of the axis AX is shown for the stator 3 and the composite rotor 4.
  • the stator winding 31 of the stator 3 and the rotating field portion 41 of the composite rotor 4 constitute an outer motor unit, and the rotor winding 47 of the composite rotor 4 and the output field portion 51 of the rotor 5 serve as an inner motor unit.
  • a motor unit is configured.
  • the outer motor unit and the inner motor unit are configured such that output characteristics indicating the relationship between the rotational speed and the torque are substantially the same.
  • the stator 3 is fixed to the inner peripheral surface of the case 2.
  • the stator 3 has a substantially cylindrical core 32 formed by laminating electromagnetic steel plates, and a stator winding 31 is wound around a convex tooth formed on the core 32.
  • the stator winding 31 is composed of a plurality of coils for each of the three phases, and is arranged so as to form a stator rotating magnetic field when an alternating current is applied.
  • the composite rotor 4 is disposed on the inner diameter side of the stator 3 and is rotatably supported on the case 2 by a bearing portion (not shown).
  • the composite rotor 4 has an outer core 42 formed by laminating electromagnetic steel plates in a substantially cylindrical shape on the outer diameter side, and an induction winding 44 is wound around a convex tooth formed on the outer core 42. ing.
  • the induction winding 44 is composed of a plurality of coils for each of the three phases, and generates an induced electromotive force by an electromagnetic induction action with the stator rotating magnetic field formed by the stator winding 31.
  • a field magnet is embedded in the outer core 42, and a rotating field portion 41 is formed by alternately arranging N poles and S poles in the circumferential direction.
  • the rotating field portion 41 generates torque by electromagnetic interaction with the stator rotating magnetic field formed by the stator winding 31.
  • the composite rotor 4 has an inner core 48 formed by laminating electromagnetic steel plates in a substantially cylindrical shape on the inner diameter side, and the rotor winding 47 is wound around the convex teeth formed on the inner core 48. Is formed. Between the inner core 48 and the outer core 42, a magnetic separation portion 45 that magnetically separates both the cores 48, 42 is provided.
  • the magnetic separation unit 45 can be configured using, for example, a nonmagnetic material. Alternatively, the yoke widths of the inner core 42 and the outer core 48 may be sufficiently widened to suppress mutual magnetic leakage.
  • the magnetic separation unit 45 allows the rotating field unit 41 and the induction winding 44 and the rotor winding 47 to operate independently of each other without magnetic interference.
  • the rotor winding 47 is composed of a plurality of coils for each of the three phases, and is electrically connected to the induction winding 44 by connection leads 49.
  • the connection lead 49 is properly wired so that a current flows through the rotor winding 47 due to the induced electromotive force generated in the induction winding 44 and forms a rotor rotating magnetic field in the same rotational direction as the rotation of the composite rotor 4. Has been.
  • the rotor 5 is disposed on the inner diameter side of the composite rotor 4.
  • the rotor 5 has a core 52 formed by laminating electromagnetic steel plates in a substantially cylindrical shape.
  • a field magnet is embedded in the core 52, and an output field portion 51 is formed by alternately arranging N poles and S poles in the circumferential direction.
  • the output field portion 51 generates torque by electromagnetic interaction with the rotor rotating magnetic field formed by the rotor winding 47. With this torque, the rotor 5 can rotate in the same direction as the composite rotor 4 and at a higher speed than the composite rotor 4.
  • the output shaft 6 is configured to penetrate the axis AX of the rotor 5 and rotate integrally therewith, and is rotatably supported by the case 2 by the bearing portion 21.
  • the power supply unit 7 includes a DC power supply device 71, an inverter device 72, an inverter control unit 73, and the like.
  • a battery is used as the DC power supply device 71 and its output terminal is connected to the inverter device 72 to supply a DC voltage.
  • the inverter device 72 can convert direct current into three-phase alternating current, and can apply two three-phase alternating currents having different frequencies to the stator winding 31 in an overlapping manner.
  • the inverter device 72 can switch the phase order of the two three-phase alternating currents independently of the normal phase order and the reverse phase order.
  • the inverter control unit 73 variably controls the frequency, current value, phase, and phase order of the two three-phase alternating currents.
  • FIG. 2 is an axial view of the configuration of the stator 3, the composite rotor 4, and the rotor 5 corresponding to an electrical angle of 360 ° developed linearly.
  • the upper side is the outer diameter side
  • the lower side is the inner diameter side
  • the left-right direction is an arc-shaped portion corresponding to an electrical angle of 360 ° in the circumferential direction developed linearly.
  • the number of pole pairs of the stator winding 31 and the rotor winding 47 is the same, and therefore the electrical angle 360 ° of the outer motor unit and the inner motor unit is the same mechanical angle.
  • the stator 3 arranged on the outermost diameter side has a core 32 having 12 inwardly convex teeth 321 at an electrical angle of 360 °, and a stator winding 31 of distributed winding. ing.
  • the stator winding 31 is composed of a U-phase winding (solid line in the figure), a V-phase winding (broken line in the figure), and a W-phase winding (one-dot chain line in the figure) in order from the inner diameter side.
  • Each phase winding has two coils in an electrical angle of 360 °.
  • the two U-phase coils 31U1 and 31U2 of the U-phase winding are just within an electrical angle of 360 °.
  • the two U-phase coils 31U1 and 31U2 each circulate five teeth 321 and one vacant tooth 321A is disposed therebetween.
  • the two V-phase coils 31V1 and 31V2 are arranged on the right side of the figure by four teeth 321 rather than the U-phase, and are wound in the same manner as the U-phase coils 31U1 and 31U2.
  • two W-phase coils 31W1 are arranged on the right side of the figure by four teeth 321 rather than the V-phase, and are wound in the same manner as the U-phase coils 31U1 and 31U2. Is formed. That is, the coil configuration is the same for each phase, and the arrangement is shifted by four teeth 321 in the circumferential direction in the order of the U phase, the V phase, and the W phase.
  • the composite rotor 4 is disposed on the inner diameter side of the stator 3 via a gap G1.
  • the composite rotor 4 includes an outer core 42 on the outer diameter side having twelve outwardly convex teeth 421 at an electrical angle of 360 °, an inner core 48 on the inner diameter side having twelve inwardly convex teeth,
  • the magnetic separation portion 45 is disposed between the cores 42 and 48 and has a three-layer structure.
  • the distributed winding induction winding 44 wound around the outer core 42 is arranged symmetrically with respect to the stator winding 31 of the stator 3.
  • the distributed winding rotor windings 47 wound around the teeth of the inner core 48 are arranged symmetrically with respect to the induction winding 44 of the composite rotor 4. That is, in order from the inner diameter side, two U-phase coils 47U1 and 47U2 constituting a U-phase winding (solid line in the figure), and two V-phase coils 47V1 and 47V2 constituting a V-phase winding (dashed line in the figure). , Two W-phase coils 47W1 (the second is not shown) constituting the W-phase winding (the one-dot chain line in the figure) are arranged.
  • the in-phase coils of the induction winding 44 and the rotor winding 47 are arranged symmetrically with the magnetic separation part 45 in between. That is, the three-phase position of the induction winding 44 of the composite rotor 4 and the three-phase position of the rotor winding 47 in the circumferential direction coincide with each other.
  • a rotor 5 is disposed on the inner diameter side of the composite rotor 4 via a gap G2.
  • a pair of field magnets 51 ⁇ / b> N and 51 ⁇ / b> S are embedded to form an output field portion 51.
  • stator winding 31, the induction winding 44, and the rotor winding 47 have neutral points 31N, 44N, and 47N, respectively, and are three-phase Y-connected.
  • U-phase terminal 31 UT, V-phase terminal 31 VT, and W-phase terminal 31 WT of stator winding 31 are electrically connected to inverter device 72 of power supply unit 7. Further, the stator winding 31 and the induction winding 44 are coupled by electromagnetic induction.
  • the magnetic separation portion 45 is interposed, so that no electromagnetic induction action occurs, and any two phases are switched by the connection lead 49 and are electrically connected.
  • the U-phase terminal 44UT of the induction winding 44 is electrically connected to the V-phase terminal 47VT of the rotor winding 47
  • the V-phase terminal 44VT of the induction winding 44 is the U-phase terminal of the rotor winding 47. It is electrically connected to 47UT, and W-phase terminals 44WT and 47WT are electrically connected to each other.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the coil configuration of the stator winding 31, the induction winding 44, and the rotor winding 47 for an electrical angle of 360 °.
  • a U-phase winding is illustrated in the upper stator winding 31 in the figure. That is, the conductor coming out of the U-phase terminal 31UT circulates the teeth 321 clockwise by a predetermined number of times by the first U-phase coil 31U1, and then turns the teeth 321 over the second U-phase coil 31U2. It shows that the neutral point 31N is reached by rotating counterclockwise a predetermined number of times.
  • the V-phase winding and the W-phase winding of other phases not shown in the figure have the same coil configuration by sequentially shifting four teeth 321 in the circumferential direction.
  • the coil configuration of the middle induction winding 44 in the figure is the same as that of the stator winding 31, and two U-phase coils 44U1 and 44U2 of the U-phase winding are illustrated.
  • the coil configuration of the lower rotor winding 47 is the same as that of the stator winding 31, and two V-phase coils 47V1 and 47V2 are illustrated.
  • the connection lead 49 is connected to the U-phase terminal 44 UT of the induction winding 44 and the V-phase of the rotor winding 47 so that the induction winding 44 and the rotor winding 47 are electrically connected by switching the U-phase and the V-phase.
  • the terminal 47VT is electrically connected.
  • the operation of the multi-rotor motor 1 according to the first embodiment configured as described above will be described.
  • the frequency, current value, and phase of the two three-phase alternating currents can take independent and independent values, and the phase order can also be changed. Therefore, the magnetic flux ⁇ 1 of the first stator rotating magnetic field formed by the first alternating current having the frequency f1 and the rotation speed n1, and the magnetic flux ⁇ 2 of the second stator rotating magnetic field formed by the second alternating current having the frequency f2 are rotated.
  • the number n2 When the number n2 is set, generality is not lost even if magnetic flux ⁇ 1 ⁇ magnetic flux ⁇ 2. That is, the side where the current value is large and generates a larger magnetic flux is defined as the second alternating current.
  • the rotation number n2 f2 / P (rps) of the second stator rotating magnetic field is a positive value.
  • the phases of the magnetic fluxes ⁇ 1 and ⁇ 2 are optimized so that the composite rotor 4 and the rotor 5 generate a desired torque, respectively.
  • FIG. 5 is a table for explaining the rotational speed increase rate K and the output characteristics obtained when the first and second alternating currents are energized through the stator winding 31.
  • the column of the rotational speed condition in the list shows the condition of the magnitude relationship between the positive and negative of the rotational speed n1 and the rotational speed n2.
  • the column of the number of rotations derived from the power supply unit in the list means a synchronous frequency determined by the frequency of the power supply unit in a general electric motor, and the above-described rotation number n1 (absolute value in the case of a negative value) and rotation number n2 The larger side.
  • the column of the rotational speed increase rate K in the list is a rate indicating how many times the output rotational speed Nout obtained by the output shaft 6 is higher than the rotational speed derived from the power supply unit.
  • the rotational speed increase rate K is an index for evaluating how much high-speed rotation can be achieved compared to a general electric motor including a single stator and a rotor.
  • the column of output characteristics in the list shows the overall output characteristics of the multi-rotor motor 1 in comparison with the characteristics of the single outer motor unit and the single inner motor unit, with the horizontal axis representing the rotational speed and the vertical axis representing the torque. Is.
  • the stator winding 31 has a first phase.
  • the first and second stator rotating magnetic fields are generated in the stator winding 31 in a cumulative manner.
  • the rotating field part 41 of the composite rotor 4 synchronizes with the second stator rotating magnetic field that generates a large torque T2 with a large magnetic flux ⁇ 2. That is, the composite rotor 4 rotates at the rotation speed n2.
  • the phase of the magnetic flux ⁇ 1 is optimized for the rotor 5, and is shifted from the composite rotor 4. For this reason, torque T1 becomes small. In addition, since the rotating magnetic field deviates from the synchronous rotational speed, the torque T1 becomes almost zero when averaged over time. In addition, it is also possible to intentionally adjust the frequency and phase of the first and second alternating currents so that this situation is realized.
  • the second stator rotating magnetic field synchronized with the induction winding 44 on the composite rotor 4 does not change, and the first stator rotating magnetic field (magnetic flux ⁇ 1) is not changed.
  • Only the rotational speed n1) includes the rotational speed n2 of the composite rotor 4 and changes with the rotational speed Na. Then, an induced electromotive force having a frequency corresponding to the rotation speed Na is generated in the induction winding 44, a current flows through the rotor winding 47, and a rotor rotating magnetic field is generated.
  • the number of rotations of the rotor rotating magnetic field on the composite rotor 4 is obtained by inverting the sign of the number of rotations Na.
  • the rotational speed of the rotor rotating magnetic field viewed from the output field unit 51 is a value obtained by inverting the sign of the rotational speed Na to the rotational speed n2 of the composite rotor 4 and adding it.
  • the rotor 5 and the output shaft 6 rotate in synchronization with this rotor rotating magnetic field. Therefore, the output shaft 6 can obtain an output rotational speed Nout obtained by inverting the sign of the rotational speed Na to the rotational speed n2 of the composite rotor 4 and adding it.
  • a large output rotational speed Nout can be obtained when the rotational speed Na is a negative value.
  • the four conditions that consider the magnitude and positive / negative of the rotation speed n1 of the first stator rotating magnetic field are considered separately.
  • the output characteristics of the multi-rotor motor 1 are positioned on the higher speed rotation side than the outer motor unit and the inner motor unit alone. is doing. That is, there is an effect that the rotation speed increase rate K2 to K4 exceeds 1, and a high speed rotation speed can be obtained.
  • FIG. 6 is a graph showing the rotational speed increase rate K (K1 to K4) obtained in FIG.
  • the horizontal axis represents the rotational speed n1
  • the vertical axis represents the rotational speed increase rate K.
  • the rotational speed increase rate K becomes the maximum value 3.
  • the outer motor unit and the inner motor unit are configured such that the output characteristics indicating the relationship between the rotational speed and the torque are substantially the same.
  • the rotational speed increase rate K is 3 and the current value. It is possible to realize the multi-rotor motor 1 that outputs torque according to the above.
  • the multi-rotor motor 1 of the first embodiment high-speed rotation is possible until the rotation speed increase rate K reaches a maximum of 3.
  • a plurality of motor units are not provided separately, but are combined and integrated, and an induction electromotive force can be generated in a non-contact manner by the induction winding 44, so that a rotating power supply unit such as a brush is unnecessary, so that multiple rotations are possible.
  • the child electric motor 1 can be reduced in size, and the manufacturing cost is reduced.
  • the power supply unit 7 can be realized by a single inverter device 72, the manufacturing cost is further reduced.
  • the rotating power feeding unit is unnecessary, maintenance-free operation can be realized and the running cost can be reduced.
  • stator winding 31 of the stator 3 and the induction winding 44 of the composite rotor 4 have the same coil configuration and are arranged so that the arrangement order of the phases in the circumferential direction also coincides. Further, the three-phase position of the induction winding 44 of the composite rotor 4 and the three-phase position of the rotor winding 47 in the circumferential direction coincide with each other. As a result, the coil configuration of each of the windings 31, 44 and 47 and the connection method between the coils are unified, making it easy to understand and making the manufacturing work easy, and reducing the manufacturing cost. In addition, since any two phases of the corresponding phase terminals of the induction winding 44 and the rotor winding 47 are switched and electrically connected, the electrical connection can be easily optimized.
  • the number of pole pairs of the stator winding 31 and the rotor winding 47 is the same, but can be different.
  • the general rotational speed increase rate K in this case can be obtained from FIG.
  • FIG. 7 is a table illustrating the rotational speed increase rate K when the number of pole pairs of the stator winding and the rotor winding is different.
  • the number of pole pairs P2 of the stator windings and the number of pole pairs P1 of the rotor windings As in the case of FIG.
  • FIG. 8 is an axial direction view showing the configuration of the stator 3, the composite rotor 40, and the rotor 5 for the electrical angle of 360 ° of the multi-rotor motor 10 of the second embodiment in a straight line. is there.
  • FIG. 8 is an axial direction view showing the configuration of the stator 3, the composite rotor 40, and the rotor 5 for the electrical angle of 360 ° of the multi-rotor motor 10 of the second embodiment in a straight line. is there.
  • the toroidal coil group 8 is composed of 12 toroidal coils in the range of an electrical angle of 360 °, which will be described in detail below.
  • the two U-phase coils 44U1 and 44U2 constituting the induction winding 44 and the two V-phase coils 47V1 and 47V2 constituting the rotor winding 47 are provided.
  • four U-V phase toroidal coils 81 to 84 are provided.
  • the two V-phase coils 44V1 and 44V2 constituting the induction winding 44 and the two U-phase coils 47U1 and 47U2 constituting the rotor winding 47 four VU-phase toroidal coils 85 are provided. To 87 (the fourth is not shown).
  • the toroidal coils 81 to 89 are wound around the magnetic separation portion 45 so as to be linked to both the outer core 42 and the inner core 48 of the composite rotor 40.
  • the first U-V phase toroidal coil 81 includes one of the teeth 422 of the outer core 42 around which the first U-phase coil 44U1 of the induction winding 44 is wound, and the first winding of the rotor winding 47. Winding is formed between one tooth 482 of the inner core 48 around which the V-phase coil 47V1 is wound.
  • the second UV-phase toroidal coil 82 includes a first tooth 423 between the other teeth of the outer core 42 around which the first U-phase coil 44U1 of the induction winding 44 is wound, and a first winding of the rotor winding 47. Winding is formed between the other teeth 483 of the inner core 48 around which the V-phase coil 47V1 is wound.
  • Third and fourth UV phase toroidal coils 83, 84 are respectively connected between one and other teeth 424, 425 of outer core 42 around which second U-phase coil 44U2 of induction winding 44 is wound.
  • the second V-phase coil 47V2 of the rotor winding 47 is wound between one and the other teeth 484 of the inner core 48 (the second is not shown).
  • each of the U-V phase toroidal coils 81 to 84 is wound around the inner core 48 so as to shift to the right in the drawing by 4 teeth in the circumferential direction rather than the outer core 42.
  • the four VU-phase toroidal coils 85 to 87 are between the teeth 426, 427, 428 (the fourth is not shown) of the outer core 42 and the inner core 48, respectively.
  • the inner core 48 is wound around the inner core 48 so as to shift to the left in the figure by the amount of four teeth.
  • four WW-phase toroidal coils 88 and 89 are respectively between teeth 429 and 42A of the outer core 42 (third and fourth are not shown). And between the teeth 489 and 48A (the third and fourth are not shown) of the inner core 48 which is symmetrical inside and outside.
  • FIG. 9 (1) is a diagram for explaining the functions of the induction winding 44 and the rotor winding 47 of the first embodiment
  • (2) is a diagram for explaining the functions of the toroidal coil group 8 of the second embodiment. is there.
  • the first embodiment of FIG. 9 (1) consider a case where an alternating current is applied to the U-phase coil 31 U 1 of the stator winding 31 and a magnetic flux ⁇ is generated in each tooth 321 of the core 32 of the stator 3.
  • the magnetic flux ⁇ reaches each tooth 421 of the outer core 42 of the composite rotor 4 beyond the gap G1, interlinks with the U-phase coil 44U1 of the induction winding 44, and branches to magnetic fluxes ⁇ Y11 and ⁇ Y12 at the yoke portion.
  • the U-phase coil 44U1 of the induction winding 44 circulates five teeth 421, and an induced electromotive force is generated by interlinking with five magnetic fluxes ⁇ .
  • This induced electromotive force is supplied to the first V-phase coil 47V1 of the rotor winding 47 so that a current flows, a magnetic flux ⁇ 2 is formed in each tooth 481 of the inner core 48, and a rotor rotating magnetic field is formed. Further, the magnitude of the rotor rotating magnetic field is proportional to five of the original magnetic flux ⁇ .
  • the toroidal coil group 8 of the second embodiment has the same functions as the induction winding 44 and the rotor winding 47 of the first embodiment in that a rotor rotating magnetic field is formed on the inner core 48.
  • FIG. 10 is a view in the axial direction showing the configuration of the variation of the multi-rotor electric motor 10 of the second embodiment for an electrical angle of 360 ° in a straight line.
  • the UV phase toroidal coils 81 to 84 and the VU phase toroidal coils 85 to 87 can be bent and routed. As a result, the crossing of the coils can be eliminated and an increase in size in the axial direction can be avoided.
  • the stator winding 31 is three-phase Y-connected and electrically connected to the inverter device 72 as in the first embodiment.
  • the toroidal coil group 8 four UV phase toroidal coils 81 to 84 are sequentially connected in series, and a U-phase terminal 8UT is provided at one end and a U-phase neutral point 8NU is provided at the other end.
  • VU-phase toroidal coils 85 to 87 are sequentially connected in series, and a V-phase terminal 8VT is provided at one end and a V-phase neutral point 8NV is provided at the other end.
  • WW-phase toroidal coils 88 and 89 are connected in series, and a W-phase terminal 8WT is provided at one end and a W-phase neutral point 8NW is provided at the other end. It is done. And each phase terminal 8UT, 8VT, 8WT of 3 phases is connected, and each phase neutral point 8NU, 8NV, 8NW is connected.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a coil configuration for an electrical angle of 360 ° of the stator winding 31 and the toroidal coil group 8 when the stator 3 side is viewed from the rotor 5 side.
  • the coil configuration of the upper stator winding 31 in the figure is the same as that of the first embodiment described in FIG. Since the coil configuration of the toroidal coil group 8 is complicated and difficult to see, it is shown again in FIGS.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the coil configuration of the UV phase toroidal coils 81 to 84 in the toroidal coil group 8 when the stator 3 side is viewed from the rotor 5 side.
  • the conductor coming out of the U-phase terminal 8UT circulates counterclockwise a predetermined number of times by the first UV-phase toroidal coil 81, and then crosses the second UV-phase toroidal coil 82. Then, it circulates clockwise a predetermined number of times and passes over the third UV phase toroidal coil 83. Further, the conductor circulates the third UV phase toroidal coil 83 clockwise a predetermined number of times, and then circulates counterclockwise a predetermined number of times over the fourth UV phase toroidal coil 84. A phase neutral point of 8 NU is reached.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating the coil configuration of the VU phase toroidal coils 85 to 87 in the toroidal coil group 8 when the stator 3 side is viewed from the rotor 5 side.
  • the conductor coming out of the V-phase terminal 8VT circulates counterclockwise a predetermined number of times by the first VU-phase toroidal coil 85, and then crosses the second VU-phase toroidal coil 86. Rotate clockwise a predetermined number of times and pass to the third VU phase toroidal coil 87. Further, the conductor circulates the third VU-phase toroidal coil 87 clockwise a predetermined number of times, and then circulates counterclockwise a predetermined number of times over the fourth VU-phase toroidal coil. A neutral point of 8 NV is reached.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the coil configuration of the WW phase toroidal coils 88 and 89 in the toroidal coil group 8 when the stator 3 side is viewed from the rotor 5 side.
  • the conductor coming out of the W-phase terminal 8WT circulates counterclockwise a predetermined number of times by the first WW-phase toroidal coil 88, and then passes to the second WW-phase toroidal coil 89. Then, it circulates clockwise a predetermined number of times and passes over the third WW phase toroidal coil. Further, the conductor circulates the third WW phase toroidal coil clockwise a predetermined number of times, and then circulates counterclockwise a predetermined number of times over the fourth WW phase toroidal coil.
  • the sex point reaches 8NW.
  • the case where coils having different winding directions are mixed in the in-phase coil group is illustrated, and the winding direction of the coils is unified and the connection method between the coils is changed. It may be dealt with by doing.
  • the operation of the multi-rotor electric motor 10 of the second embodiment configured as described above is the same as that of the first embodiment described with reference to FIGS. Further, in addition to the effects equivalent to those of the first embodiment, since the toroidal coils 81 to 89 are wound around the outer core 42 and the inner core 48, the holding strength is improved, so that the centrifugal strength strength is improved. Securement is facilitated and manufacturing costs can be reduced.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a coaxial inner / outer arrangement example 11 of the actual configuration of the multiple rotor electric motor 1 of the first embodiment.
  • the outer motor unit and the inner motor unit are arranged on the coaxial outer side and the inner side with the axis AX in common.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining a tandem arrangement example 12 of an actual configuration of a multi-rotor motor having a motor unit arrangement different from that of the first embodiment.
  • the outer motor unit and the inner motor unit are arranged side by side in the direction of the axis AX with the axis AX as a common.
  • the stator 3 is fixed to the inner surface of the case 2, and the composite rotor 4 is disposed on the inner diameter side of the stator 3.
  • the composite rotor 4 has a cylindrical intermediate shaft 4M extending on both sides in the axis AX direction.
  • the intermediate shaft 4M is reduced in diameter on both sides in the direction of the axis AX, and a pair of bearing portions 22 and 23 are disposed between the outer peripheral surfaces of the ends 4M2 and 4M3 on both sides of the reduced diameter and the case 2.
  • the intermediate shaft 4M is rotatably supported by the case 2 by the bearing portions 22 and 23.
  • a rotor 5 is disposed on the inner diameter side of the composite rotor 4.
  • An output shaft 6 extends through the center of the rotor 5.
  • the output shaft 6 extends on both sides in the axis AX direction, and both end portions 61 and 62 protrude to the outside of the case 2.
  • a pair of bearing portions 24 and 25 are disposed between the outer peripheral surfaces near both end portions 61 and 62 of the output shaft 6 and the inner peripheral surfaces of the end portions 4M2 and 4M3 of the intermediate shaft 4M.
  • the output shaft 6 is rotatably supported by the intermediate shaft 4M by the bearing portions 24 and 25.
  • the power supply unit 7 is omitted in FIG.
  • the rotational speed of the outer motor unit acts on the bearing portions 22, 23, and the relative rotational speed of the inner motor unit acts on the bearing portions 24, 25. That is, the rotational speed acting on the bearing portions 22 to 25 is smaller than the output rotational speed of the output shaft 6 with respect to the case 2, and the stress received is reduced, improving the reliability.
  • the stator 30 is fixed to the inner surface of the case 2, and the rotating field portion 41, the outer core 42, and the induction winding 44 of the composite rotor 400 are arranged on the inner diameter side of the stator 30. Is arranged.
  • An intermediate shaft 4N is provided in the center of the outer core 42. One side (left side in the figure) of the intermediate shaft 4N in the axis AX direction extends, and one end 4N1 of the intermediate shaft 4N projects to the outside of the case 2.
  • a bearing portion 26 is disposed between the outer peripheral surface of the intermediate shaft 4N near the one end portion 4N1 and the case 2.
  • the other side of the intermediate shaft 4N in the axis AX direction is expanded to form a bottomed cylindrical portion 4N2.
  • An inner core 48 and a rotor winding 47 are disposed on the inner peripheral surface of the bottomed cylindrical portion 4N2.
  • the outer core 42 and the inner core 48 of the composite rotor 400 are sufficiently separated from each other, and a magnetic separation part is unnecessary.
  • the rotor 50 is disposed on the inner diameter side of the inner core 48 of the composite rotor 400.
  • An output shaft 60 extends through the center of the rotor 50.
  • One side (the right side in the figure) of the output shaft 60 in the axis line AX extends, and one end 63 thereof projects outside the case 2.
  • a bearing portion 27 is disposed between the outer peripheral surface of the output shaft 60 near the one end portion 63 and the case 2.
  • the output shaft 60 also extends to the other side in the axis AX direction (left side in the figure), and the bearing portion 28 is disposed between the other end portion 64 and the bottomed cylindrical portion 4N2 of the intermediate shaft 4N. .
  • the intermediate shaft 4N and the output shaft 60 are rotatably supported by the case 2 by the cooperation of the bearing portions 26 to 28.
  • the power source unit 7 is omitted in FIG.
  • the rotational speed of the outer motor unit acts on the bearing portion 26, and the relative rotational speed of the inner motor unit acts on the bearing portion 28.
  • the bearing portion 27 is subjected to a large rotational speed obtained by adding the rotational speed of the output shaft 60 with respect to the case 2, that is, the rotational speeds of both motor units. Therefore, particularly when it is desired to increase the output rotational speed, it is preferable to improve the performance and reliability of the bearing portion 27 by measures such as direct injection of lubricating oil.
  • the manufacturing dimensions of the outer motor unit and the inner motor unit are similar, it is relatively easy to make the output characteristics of both motor units uniform.
  • a rotation angle sensor that detects the rotation phase of the composite rotors 4, 40, 400 and the output shafts 6, 60 is provided, and the inverter control unit 73 performs control while referring to the rotation phase. It is preferable.
  • positioned the stator and rotor of each motor unit in coaxial inside / outside was shown, it is not limited to this, The motor unit of the structure which arranged the stator and the rotor in the axial direction may be sufficient.
  • the composite rotor 4 can be configured such that external torque can be input to and interrupted from the composite rotor 4 or the rotor 5.
  • the torque generated in the multi-rotor motor 1 can be output from the output shaft 7 in addition to the external torque.
  • a mechanism for detachably fixing the composite rotor 4 to the case can be provided.
  • a motor unit is formed between the stator and the first composite rotor, between the first and second composite rotors, and between the second composite rotor and the rotor, and the stator unit is connected to the stator from the power supply unit. It is possible to obtain a large output rotational speed with the rotor by sequentially applying three alternating currents with different frequencies to the windings, generating an induced electromotive force sequentially with the two composite rotors, and adding the rotational speed. .
  • the present invention can be variously modified and applied.
  • the multi-rotor electric motor of the present invention can be used for a drive source of a hybrid vehicle or an electric vehicle, and is particularly suitable for an application that requires high-speed rotation.

Landscapes

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Abstract

　本発明の多重回転子形電動機は、固定子回転磁界を形成する固定子巻線を有してケースに固定された固定子と、固定子回転磁界との電磁相互作用によりトルクを生起する回転界磁部および固定子回転磁界との電磁誘導作用により誘導起電力を生起する誘導巻線および誘導巻線に電気接続されて固定子回転磁界と同じ回転方向の回転子回転磁界を形成する回転子巻線を有し回転自在に軸承された複合回転子と、回転子回転磁界との電磁相互作用によりトルクを生起する出力界磁部を有し複合回転子よりも高速で回転可能な回転子と、回転子に結合され回転自在に軸承された出力軸と、固定子巻線に周波数の異なる二つの交流電流を重累して通電する電源部と、を備える。これにより、複数のモータユニットを一体的に組み合わせて単一の電源部で駆動でき、高速回転化、小形化、低コスト化、およびメンテナンスフリーを実現できる。

Description

多重回転子形電動機
　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１に示される第１実施形態には、第１および第２回転電機を別体で備え、それぞれ別のインバータが接続される態様が開示されている。また、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重ロータ構造の態様が開示されている。第３実施形態では、エンジンに連結され三相巻線が巻回された第１回転子から電力を取り出すためにブラシが用いられている。特許文献１の各態様では、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。第１回転子には三相巻線が設けられてインバータから電流を供給する旨が記載されており、特許文献１のブラシに相当する部材を備えることが推定される。
特開２００５－４７３９６号公報 特開平１０－４２６００号公報
　ところで、特許文献１の第１実施形態では、２つの回転電機（モータユニット）を別体で備えるので、装置が大形化してコストも高くなる。このため、２つの回転電機を一体化して、小形化および低コスト化を図った２重回転子構造の電動機が特許文献１の第３実施形態および特許文献２に開示されているが、回転している巻線に電源供給するためにブラシなどの回転給電部を設けることになる。したがって、回転給電部のスペース分だけ小形化の効果が減少する。また、経年使用による回転給電部の摩耗や疲労に対してメンテナンスが必要になりランニングコストがかさむ。さらに、特許文献１および２では、２つの回転電機のそれぞれに電源用のインバータが設けられており、製造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を一体的に組み合わせ単一の電源部で駆動することにより、高速回転化、小形化、低コスト化、およびメンテナンスフリーを実現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、固定子回転磁界を形成する固定子巻線を有してケースに固定された固定子と、前記固定子回転磁界との電磁相互作用によりトルクを生起する回転界磁部および、前記固定子回転磁界との電磁誘導作用により誘導起電力を生起する誘導巻線および、前記誘導巻線に電気接続されて前記固定子回転磁界と同じ回転方向の回転子回転磁界を形成する回転子巻線を有し、前記ケースに回転自在に軸承された複合回転子と、前記回転子回転磁界との電磁相互作用によりトルクを生起する出力界磁部を有し、前記複合回転子と同じ方向にかつ前記複合回転子よりも高速で回転可能な回転子と、前記回転子に結合され、前記ケースまたは前記複合回転子に回転自在に軸承された出力軸と、前記固定子巻線に周波数の異なる二つの交流電流を重累して通電する電源部と、を備える。
　請求項２に係る発明は、請求項１において、前記電源部が前記固定子巻線に通電する周波数ｆ１の第１交流電流により形成される第１固定子回転磁界の磁束Φ１、回転数ｎ１、および前記固定子巻線と前記回転界磁部との間のトルクＴ１とし、周波数ｆ２の第２交流電流により形成される第２固定子回転磁界の磁束Φ２、回転数ｎ２、および前記固定子巻線と前記回転界磁部との間のトルクＴ２とし、前記回転子巻線と前記出力界磁部との間のトルクＴｏｕｔとしたとき、前記磁束Φ１＜前記磁束Φ２、かつ前記トルクＴ１＜前記トルクＴ２、かつ（前記トルクＴ２－前記トルクＴ１）＞前記トルクＴｏｕｔであり、さらに、前記回転数ｎ１＜前記回転数ｎ２である。
　請求項３に係る発明は、請求項２において、前記第１固定子回転磁界と前記第２固定子回転磁界の回転方向が同じ場合は、前記回転数ｎ１＜前記回転数ｎ２であり、前記第１固定子回転磁界と前記第２固定子回転磁界の回転方向が異なる場合は前記回転数ｎ１を負値で表し、０＜（前記回転数ｎ１の絶対値）＜（２×前記回転数ｎ２）である。
　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、前記複合回転子の前記回転界磁部および前記誘導巻線が有するコアと、前記回転子巻線が有するコアとの間を磁気的に分離する磁気分離部を有する。
　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、前記固定子の前記固定子巻線および前記複合回転子の前記回転界磁部で構成される第１モータユニットと、前記複合回転子の前記回転子巻線および前記回転子の前記出力界磁部で構成される第２モータユニットとは、回転数と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。
　請求項６に係る発明は、請求項５において、前記第２モータユニットは、前記第１モータユニットの回転数の２倍まで出力可能である。
　請求項７に係る発明は、請求項１～６のいずれか一項において、前記固定子の前記固定子巻線、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線は全て三相結線されており、かつ、前記誘導巻線と前記回転子巻線とは二相が入れ替えられて電気接続されている。
　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、前記固定子の前記固定子巻線、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線は、すべて同じコイル構成とされかつ周方向の相の配列順も一致している。
　請求項９に係る発明は、請求項８において、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線は三相結線されており、周方向に関する前記複合回転子の前記誘導巻線の三相の位置と前記回転子巻線の三相の位置とは一致する。
　請求項１０に係る発明は、請求項６～９のいずれか一項において、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線の中でそれぞれＹ結線またはΔ結線を行って各相端子を構成し、前記誘導巻線および前記回転子巻線の対応する各相端子のいずれか二相を入れ替えて電気接続する。
　請求項１１に係る発明は、請求項１～６のいずれか一項において、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線に代えてトロイダルコイル群を用いる。
　請求項１に係る多重回転子形電動機の発明では、固定子の固定子巻線および複合回転子の回転界磁部で第１モータユニットが構成され、複合回転子の回転子巻線および回転子の出力界磁部で第２モータユニットが構成される。第１モータユニットでは、固定子の固定子巻線と複合回転子の回転界磁部との電磁相互作用によりトルクが発生するので、周波数の異なる二つの交流電流によって形成される固定子回転磁界の一方に同期して複合回転子が回転する。すると、複合回転子上の誘導巻線では、同期している回転磁界は変化せず、他方の回転磁界のみが複合回転子の回転数を含んで変化する。これにより、誘導巻線で誘導起電力が生起し、回転子巻線との電気接続を適正化することで、回転子巻線は複合回転子の回転と同じ回転方向の回転子回転磁界を形成することができる。つまり、第２モータユニットでは、回転している複合回転子上でさらに高速回転する回転子回転磁界を形成することができる。したがって、回転子回転磁界に同期して回転する回転子および出力軸を高速回転化でき、特に電源部の周波数に由来する回転数よりも大きな出力回転数を得ることができる。なお、電源部の周波数に由来する回転数とは、一般的な電動機で電源部の周波数により定まる同期周波数を意味し、本発明では、請求項２の回転数ｎ１および回転数ｎ２のうち大きい側とする。
　また、複数のモータユニットを別々に設けるのではなく複合一体化しており、加えて誘導巻線により非接触で誘導起電力を発生できブラシなどの回転給電部が不要であることから、多重回転子形電動機を小形化でき、製造コストは低廉になる。さらに、電源部を単一のインバータ装置で実現できることから、製造コストは一層低廉になる。また、回転給電部が不要であることから、メンテナンスフリーを実現でき、ランニングコストも低廉になる。
　請求項２に係る発明では、第１および第２交流電流のうち、大きな磁束Φ２で大きなトルクＴ２を発生する第２交流電流の回転磁界に同期して複合回転子が回転数ｎ２で回転する。ここで、回転子巻線と出力界磁部との間のトルクＴｏｕｔが（トルクＴ２－トルクＴ１）よりも小さいので、複合回転子の回転子回転磁界に同期して回転子および出力軸が高速回転する際に複合回転子の回転がふらつかず、出力軸の出力回転数が安定する。
　また、回転数ｎ１が回転数ｎ２よりも小さいので、複合回転子上の誘導巻線では、磁束Φ１の回転磁界が逆回転方向に作用する。これにより、誘導巻線では電源部とは逆相の誘導起電力が発生し、回転子巻線との電気接続を適正化することで、複合回転子の回転と同じ回転方向の回転子回転磁界を形成することができる。したがって、回転子および出力軸の回転数を複合回転子の回転数ｎ２よりも高速化でき、電源部の周波数に由来する回転数ｎ１、ｎ２よりも大きな出力回転数を得ることができる。
　請求項３に係る発明では、第１固定子回転磁界と第２固定子回転磁界の回転方向が異なる場合に回転数ｎ１を負値で表す。これは、周波数の異なる第１および第２交流電流の相順が相互に異なるように制御することで実現できる。この場合、０＜（回転数ｎ１の絶対値）＜（２×回転数ｎ２）であることが好ましく、電源部の周波数に由来する回転数ｎ１、ｎ２の２～３倍の出力回転数を得ることができる。
　例えば、回転数ｎ１が負値で０に近づくと、回転数ｎ２で回転している複合回転子上の誘導巻線からみて、磁束Φ１の回転磁界の回転数Ｎａは、Ｎａ＝ｎ１－ｎ２≒―ｎ２となる。これによって誘導巻線に生じる誘導起電力の相順を反転して回転子巻線に加えると、回転数Ｎａは反転して（符号を変えて）加算される。つまり、出力軸回転数Ｎｏｕｔは、Ｎｏｕｔ＝ｎ２＋（－Ｎａ）≒２×ｎ２となる。この出力軸回転数Ｎｏｕｔは、電源部の周波数に由来する回転数ｎ２の約２倍になっている。また、例えば、回転数ｎ１＝―ｎ２であると、複合回転子上の誘導巻線からみた磁束Φ１の回転磁界の回転数Ｎａ＝ｎ１－ｎ２＝―２×ｎ２となる。したがって、出力軸回転数Ｎｏｕｔ＝ｎ２＋（－Ｎａ）＝３×ｎ２となり、電源部の周波数に由来する回転数ｎ２の３倍になる。さらに、例えば、回転数ｎ１＝―２×ｎ２に近づくと、複合回転子上の誘導巻線からみた磁束Φ１の回転磁界の回転数Ｎａ＝ｎ１－ｎ２≒―３×ｎ２となる。したがって、出力軸回転数Ｎｏｕｔ＝ｎ２＋（－Ｎａ）≒４×ｎ２となり、電源部の周波数に由来する回転数ｎ１（≒２×ｎ２）の絶対値の約２倍になる。
　請求項４に係る発明では、複合回転子の回転界磁部および誘導巻線が有するコアと、回転子巻線が有するコアと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２つのコアの間の磁気的な干渉が抑制されて第１および第２モータユニットが互いに独立して動作し、多重回転子形電動機を高効率化および、動作安定化できる。
　請求項５に係る発明では、固定子の固定子巻線および複合回転子の回転界磁部で構成される第１モータユニットと、複合回転子の回転子巻線および回転子の出力界磁部で構成される第２モータユニットとは、回転数とトルクとの関係を示す出力特性が互いにほぼ同一になっている。したがって、高速の出力回転数を得るために第１および第２モータユニットで合理的に回転数を分担でき、製造コストが低廉になる。
　請求項６に係る発明では、第２モータユニットは、第１モータユニットの回転数の２倍まで出力可能とされている。したがって、本発明で上限となる電源部の周波数に由来する回転数の３倍の出力回転数を実現できる。
　請求項７に係る発明では、固定子の固定子巻線、複合回転子の誘導巻線および回転子巻線はそれぞれ三相結線されており、かつ、誘導巻線と回転子巻線とは二相が入れ替えられて電気接続されている。本発明は、三相巻線を用いて構成することができ、従来の三相交流電動機や電源部としての三相インバータ装置の技術を応用できる。したがって、多重回転子形電動機の動作が安定し、経済性にも優れる。また、誘導巻線と回転子巻線とで二相を入れ替えることにより容易に電気接続を適正化できる。
　請求項８に係る発明では、固定子の固定子巻線、複合回転子の誘導巻線および回転子巻線は、すべて同じコイル構成とされかつ周方向の相の配列順も一致している。さらに、請求項９に係る発明では、複合回転子の誘導巻線および回転子巻線は三相結線されており、周方向に関する複合回転子の誘導巻線の三相の位置と回転子巻線の三相の位置とは一致している。これにより、固定子巻線、誘導巻線、および回転子巻線のコイル構成やコイル間の接続方法が統一されて分かりやすくかつ製造作業も容易となり、製造コストを削減できる。
　請求項１０に係る発明では、複合回転子の誘導巻線および回転子巻線の中でそれぞれＹ結線またはΔ結線を行って各相端子を構成し、誘導巻線および回転子巻線の対応する各相端子のいずれか二相を入れ替えて電気接続している。これにより、容易に電気接続を適正化でき、高速の出力回転数を得ることができる。
　請求項１１に係る発明では、複合回転子の誘導巻線および回転子巻線に代えてトロイダルコイル群を用いるようにしている。トロイダルコイル群を構成する各トロイダルコイルは、固定子回転磁界と鎖交して電磁誘導作用により誘導起電力を生起するとともに、誘導起電力によって電流が流れ回転子回転磁界を形成することができる。つまり、各トロイダルコイルは誘導巻線および回転子巻線を兼ねることができ、請求項１～６と同様の効果が生じる。さらに、コイルがコアに保持される保持強度が向上するので、コイルの耐遠心力強度の確保が容易となり、製造コストを低減できる。
第１実施形態の多重回転子形電動機の構成を概念的に説明する断面図である。 固定子、複合回転子、および回転子の電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。 固定子巻線、誘導巻線、および回転子巻線の結線方法ならびに電気接続を説明する図である。 回転子側から固定子側を見た場合の固定子巻線、誘導巻線、および回転子巻線の電気角３６０°分のコイル構成を例示説明する図である。 固定子巻線に第１および第２交流電流を重累して通電したときに得られる回転数増加率および出力特性を説明する一覧表の図である。 図５で得られた回転数増加率をグラフ化して示した図である。 固定子巻線と回転子巻線の極対数が異なる場合の回転数増加率を説明する一覧表の図である。 第２実施形態の多重回転子形電動機の固定子、複合回転子、および回転子の電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。 （１）は第１実施形態の誘導巻線および回転子巻線の機能を説明する図、（２）は第２実施形態のトロイダルコイル群の機能を説明する図である。 第２実施形態の多重回転子形電動機のバリエーションの電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。 第２実施形態での固定子巻線およびトロイダルコイル群の結線方法ならびに電気接続について説明する図である。 回転子側から固定子側を見た場合の固定子巻線およびトロイダルコイル群の電気角３６０°分のコイル構成を説明する図である。 回転子側から固定子側を見た場合のトロイダルコイル群中のＵ－Ｖ相トロイダルコイルのコイル構成を説明する図である。 回転子側から固定子側を見た場合のトロイダルコイル群中のＶ－Ｕ相トロイダルコイルのコイル構成を説明する図である。 回転子側から固定子側を見た場合のトロイダルコイル群中のＷ－Ｗ相トロイダルコイルのコイル構成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実施形態とはモータユニットの配置が異なる多重回転子形電動機の実態構成のタンデム配置例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６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の構成を概念的に説明する断面図である。第１実施形態の多重回転子形電動機１は、軸線ＡＸを中心とする概ね軸対称形状であり、ケース２、固定子３、複合回転子４、回転子５、出力軸６、電源部７などで構成されている。また、複合回転子４は、回転界磁部４１、誘導巻線４４、回転子巻線４７などで構成されている。図１で、固定子３および複合回転子４は、軸線ＡＸの片側半分のみが示されている。固定子３の固定子巻線３１および複合回転子４の回転界磁部４１でアウターモータユニットが構成され、複合回転子４の回転子巻線４７および回転子５の出力界磁部５１でインナーモータユニットが構成されている。アウターモータユニットおよびインナーモータユニットは、回転数とトルクとの関係を示す出力特性が互いにほぼ同一になるように構成されている。
　固定子３は、ケース２の内周面に固定されている。固定子３は、略円筒状で電磁鋼板を積層して構成したコア３２を有し、コア３２に形成された凸状のティースに固定子巻線３１が巻回形成されている。固定子巻線３１は、三相それぞれ複数個のコイルからなり、交流電流が通電されると固定子回転磁界を形成するように配置されている。
　複合回転子４は、固定子３の内径側に配置され、図略の軸受け部によりケース２に回転自在に軸承されている。複合回転子４は、外径側に略円筒状で電磁鋼板を積層して構成した外側コア４２を有し、外側コア４２に形成された凸状のティースに誘導巻線４４が巻回形成されている。誘導巻線４４は、三相それぞれ複数個のコイルからなり、固定子巻線３１が形成した固定子回転磁界との電磁誘導作用により誘導起電力を生起するようになっている。また、外側コア４２には界磁磁石が埋め込まれ、Ｎ極とＳ極が周方向に交互に配置されて回転界磁部４１が形成されている。回転界磁部４１は、固定子巻線３１が形成する固定子回転磁界との電磁相互作用によりトルクを生起するようになっている。
　一方、複合回転子４は、内径側に略円筒状で電磁鋼板を積層して構成した内側コア４８を有し、内側コア４８に形成された凸状のティースに回転子巻線４７が巻回形成されている。内側コア４８と外側コア４２の間には、両コア４８、４２を磁気的に分離する磁気分離部４５が設けられている。磁気分離部４５は、例えば、非磁性材料を用いて構成することができる。あるいは、内側コア４２および外側コア４８のヨーク幅を十分広くして相互の磁気漏洩を抑制するようにしてもよい。磁気分離部４５により、回転界磁部４１および誘導巻線４４と、回転子巻線４７とが磁気的に干渉せず互いに独立して動作するようになっている。
　回転子巻線４７は、三相それぞれ複数個のコイルからなり、接続リード４９により誘導巻線４４に電気接続されている。誘導巻線４４に生起した誘導起電力により回転子巻線４７に電流が流れ、複合回転子４の回転と同じ回転方向の回転子回転磁界を形成するように、接続リード４９の結線が適正化されている。
　回転子５は、複合回転子４の内径側に配置されている。回転子５は、略円筒状で電磁鋼板を積層して構成したコア５２を有している。コア５２内には界磁磁石が埋め込まれて、Ｎ極とＳ極が周方向に交互に配置されて出力界磁部５１が形成されている。出力界磁部５１は、回転子巻線４７が形成した回転子回転磁界との電磁相互作用によりトルクを生起するようになっている。このトルクにより、回転子５は、複合回転子４と同じ方向にかつ複合回転子４よりも高速で回転可能となっている。
　出力軸６は、回転子５の軸線ＡＸに貫設されて一体的に回転するように構成され、軸受け部２１でケース２に回転自在に軸承されている。
　電源部７は、直流電源装置７１、インバータ装置７２、インバータ制御部７３などにより構成されている。直流電源装置７１には、例えばバッテリを用い、その出力端子をインバータ装置７２に接続して直流電圧を供給する。インバータ装置７２は、直流を三相交流に変換し、固定子巻線３１に周波数の異なる二つの三相交流電流を重累して通電することができる。また、インバータ装置７２は、二つの三相交流電流の相順を独立して正相順および逆相順に切り替えることができるようになっている。二つの三相交流電流の周波数、電流値、位相、および相順は、インバータ制御部７３で可変に制御される。
　次に、固定子３、複合回転子４、および回転子５の構成についてさらに詳述する。図２は、固定子３、複合回転子４、および回転子５の電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。図２で、上側は外径側、下側は内径側であり、左右方向は周方向の電気角３６０°分の円弧状部分を直線状に展開表示したものである。本第１実施形態で、固定子巻線３１と回転子巻線４７の極対数は同一であり、したがってアウターモータユニットおよびインナーモータユニットの電気角３６０°は、同一の機械角になっている。
　図２で、最も外径側に配置される固定子３は、電気角３６０°中に１２個の内向き凸状のティース３２１をもつコア３２、および分布巻きの固定子巻線３１を有している。固定子巻線３１は、内径側から順に、Ｕ相巻線（図中実線）、Ｖ相巻線（図中破線）、およびＷ相巻線（図中一点鎖線）から成っている。各相巻線は、電気角３６０°中に２個のコイルを有している。図２では、Ｕ相巻線の２個のＵ相コイル３１Ｕ１、３１Ｕ２がちょうど電気角３６０°中に収まっている。２個のＵ相コイル３１Ｕ１、３１Ｕ２はそれぞれティース３２１を５個分周回して、間に１個の空いたティース３２１Ａが配されている。
　２個のＶ相コイル３１Ｖ１、３１Ｖ２は、Ｕ相よりもティース３２１の４個分だけ図中の右方に配列され、Ｕ相コイル３１Ｕ１、３１Ｕ２と同様に巻回形成されている。さらに、２個のＷ相コイル３１Ｗ１（２個目は図略）は、Ｖ相よりもティース３２１の４個分だけ図中の右方に配列され、Ｕ相コイル３１Ｕ１、３１Ｕ２と同様に巻回形成されている。つまり、コイルの構成は各相で同じであり、配列はU相、Ｖ相、Ｗ相の順番に周方向にティース３２１の４個分ずつシフトしている。
　固定子３の内径側には、ギャップＧ１を介して複合回転子４が配置されている。複合回転子４は、電気角３６０°中に１２個の外向き凸状のティース４２１をもつ外径側の外側コア４２、１２個の内向き凸状のティースをもつ内径側の内側コア４８、および両コア４２、４８の間に配置された磁気分離部４５の三層構造になっている。外側コア４２に巻回形成された分布巻きの誘導巻線４４は、固定子３の固定子巻線３１に対して内外対称に配置されている。すなわち、外径側から順に、Ｕ相巻線（図中実線）を構成する２個のＵ相コイル４４Ｕ１、４４Ｕ２、Ｖ相巻線（図中破線）を構成する２個のＶ相コイル４４Ｖ１、４４Ｖ２、Ｗ相巻線（図中一点鎖線）を構成する２個のＷ相コイル４４Ｗ１（２個目は図略）が配置されている。そして、固定子巻線３１および誘導巻線４４の各同相コイルが、ギャップＧ１を挟んで対称に配置されている。つまり、固定子巻線３１と誘導巻線４４とは、同じコイル構成とされかつ周方向の相の配列順も一致している。外側コア４２には、さらに、一対の界磁磁石４１Ｎ、４１Ｓが埋め込まれて回転界磁部４１が形成されている。
　一方、内側コア４８のティースに巻回形成された分布巻きの回転子巻線４７は、複合回転子４の誘導巻線４４に対して内外対称に配置されている。すなわち、内径側から順に、Ｕ相巻線（図中実線）を構成する２個のＵ相コイル４７Ｕ１、４７Ｕ２、Ｖ相巻線（図中破線）を構成する２個のＶ相コイル４７Ｖ１、４７Ｖ２、Ｗ相巻線（図中一点鎖線）を構成する２個のＷ相コイル４７Ｗ１（２個目は図略）が配置されている。そして、誘導巻線４４および回転子巻線４７の各同相コイルが、磁気分離部４５を挟んで対称に配置されている。つまり、周方向に関する複合回転子４の誘導巻線４４の三相の位置と回転子巻線４７の三相の位置とは一致している。
　複合回転子４の内径側には、ギャップＧ２を介して回転子５が配置されている。回転子５のコア５２内には、一対の界磁磁石５１Ｎ、５１Ｓが埋め込まれて出力界磁部５１が形成されている。
　次に、固定子巻線３１、誘導巻線４４、および回転子巻線４７の結線方法ならびに電気接続について、図３を参考にして説明する。図示されるように、固定子巻線３１、誘導巻線４４、および回転子巻線４７はそれぞれ、中性点３１Ｎ、４４Ｎ、４７Ｎを有して三相Ｙ結線されている。固定子巻線３１のＵ相端子３１ＵＴ、Ｖ相端子３１ＶＴ、およびＷ相端子３１ＷＴは、電源部７のインバータ装置７２に電気接続されている。また、固定子巻線３１と誘導巻線４４との間は、電磁誘導作用によって結合されている。誘導巻線４４と回転子巻線４７との間は、磁気分離部４５が介在するため電磁誘導作用は発生せず、接続リード４９によりいずれか二相を入れ替えて電気接続されている。図３の例では、誘導巻線４４のＵ相端子４４ＵＴが回転子巻線４７のＶ相端子４７ＶＴに電気接続され、誘導巻線４４のＶ相端子４４ＶＴが回転子巻線４７のＵ相端子４７ＵＴに電気接続され、Ｗ相端子４４ＷＴ、４７ＷＴ同士が電気接続されている。
　図４は、固定子巻線３１、誘導巻線４４、および回転子巻線４７の電気角３６０°分のコイル構成を例示説明する図である。図中の上段の固定子巻線３１では、Ｕ相巻線が例示されている。すなわち、Ｕ相端子３１ＵＴから出た導体は、第１のＵ相コイル３１Ｕ１でティース３２１を５個分所定回数だけ時計回りに周回したのち、第２のＵ相コイル３１Ｕ２に渡ってティース３２１を５個分所定回数だけ反時計回りに周回して中性点３１Ｎに達することを示している。図略の他相のＶ相巻線およびＷ相巻線も、周方向にティース３２１の４個分ずつ順番にシフトして同じコイル構成となっている。
　また、図中の中段の誘導巻線４４のコイル構成も固定子巻線３１と同じコイル構成で、Ｕ相巻線の２個のＵ相コイル４４Ｕ１、４４Ｕ２が例示されている。さらに、下段の回転子巻線４７のコイル構成も固定子巻線３１と同じコイル構成で、２個のＶ相コイル４７Ｖ１、４７Ｖ２が例示されている。そして、誘導巻線４４と回転子巻線４７でＵ相とＶ相とを入れ替えて電気接続するために、接続リード４９は誘導巻線４４のＵ相端子４４ＵＴと回転子巻線４７のＶ相端子４７ＶＴとを電気接続している。
　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の動作について説明する。まず、電源部７のインバータ装置７２から固定子巻線３１に周波数の異なる二つの三相交流電流を重累して通電する条件について整理しておく。二つの三相交流電流の周波数、電流値、および位相は独立した別々の値をとり得るとともに、相順も変更できる。したがって、周波数ｆ１の第１交流電流により形成される第１固定子回転磁界の磁束Φ１、回転数ｎ１とし、周波数ｆ２の第２交流電流により形成される第２固定子回転磁界の磁束Φ２、回転数ｎ２としたとき、磁束Φ１＜磁束Φ２としても一般性は失われない。つまり、電流値が大きく、より大きな磁束を発生する側を第２交流電流とする。また、固定子巻線３１の極対数Ｐとしたとき、第２固定子回転磁界の回転数ｎ２＝ｆ２／Ｐ（ｒｐｓ）を正値とする。すると、第１固定子回転磁界の回転数ｎ１＝ｆ１／Ｐ（ｒｐｓ）は、相順の正逆に応じて正負いずれの値も取り得る。なお、磁束Φ１、Φ２の位相は、それぞれ複合回転子４および回転子５が所望のトルクを発生するよう適正化する。
　図５は、固定子巻線３１に第１および第２交流電流を重累して通電したときに得られる回転数増加率Ｋおよび出力特性を説明する一覧表の図である。一覧表中の回転数条件の欄は、回転数ｎ１の正負および回転数ｎ２との大小関係の条件を示している。一覧表中の電源部由来の回転数の欄は、一般的な電動機で電源部の周波数により定まる同期周波数を意味し、上述の回転数ｎ１（負値の場合はその絶対値）および回転数ｎ２のうち大きい側とする。一覧表中の回転数増加率Ｋの欄は、出力軸６で得られる出力回転数Ｎｏｕｔが電源部由来の回転数の何倍になるかを示す率である。換言すれば、回転数増加率Ｋは、単一の固定子および回転子からなる一般的な電動機と比較してどれだけ高速回転化できたかを評価する指標である。一覧表中の出力特性の欄は、横軸を回転数、縦軸をトルクとして多重回転子形電動機１の総合的な出力特性を、アウターモータユニット単体およびインナーモータユニット単体の特性と比較図示したものである。
　前述した磁束Φ１＜磁束Φ２であり、かつ複合回転子４が磁束Φ２のもとで所望のトルクを発生するように磁束Φ２の位相が適正化されている条件で、固定子巻線３１に第１および第２交流電流を重累して通電すると、固定子巻線３１には第１および第２固定子回転磁界が重累して発生する。これに対して、複合回転子４の回転界磁部４１は、大きな磁束Φ２で大きなトルクＴ２を発生する第２固定子回転磁界に同期する。つまり、複合回転子４が回転数ｎ２で回転する。補足すると、磁束Φ１の位相は、回転子５に適正化されており、複合回転子４に対しては、ずれている。このため、トルクＴ１は小さくなる。加えて、同期回転数からずれた回転磁界となるため、トルクＴ１は時間的に平均するとほぼゼロになる。なお、当状況が実現するように、第１および第２交流電流の周波数および位相を意図的に調整することも可能である。
　複合回転子４が回転数ｎ２で回転するとき、複合回転子４上の誘導巻線４４からみて、同期している第２固定子回転磁界は変化せず、第１固定子回転磁界（磁束Φ１、回転数ｎ１）のみが複合回転子４の回転数ｎ２を含んで回転数Ｎａで変化する。すると、誘導巻線４４には回転数Ｎａに相当する周波数の誘導起電力が生起されて回転子巻線４７に電流が流れ、回転子回転磁界が発生する。
　ここでＵ相とＶ相とを入れ替えて電気接続しているので、複合回転子４上における回転子回転磁界の回転数は、回転数Ｎａの符号を反転したものとなる。また、出力界磁部５１からみた回転子回転磁界の回転数は、複合回転子４の回転数ｎ２に回転数Ｎａの符号を反転して加算した値となる。回転子５および出力軸６は、この回転子回転磁界に同期して回転する。したがって、出力軸６では、複合回転子４の回転数ｎ２に回転数Ｎａの符号を反転して加算した出力回転数Ｎｏｕｔを得ることができる。ここで、回転数Ｎａが負値のときに、大きな出力回転数Ｎｏｕｔを得られる点に留意する。
　出力回転数Ｎｏｕｔおよび回転数増加率Ｋを求める際に、第１固定子回転磁界の回転数ｎ１の大小および正負を考慮した４条件に場合分けして考える。図５の回転数条件ア）０＜ｎ２≦ｎ１では、誘導巻線４４からみた第１固定子回転磁界の回転数Ｎａ＝ｎ１－ｎ２となり、出力軸回転数Ｎｏｕｔ＝ｎ２＋（－Ｎａ）＝２×ｎ２－ｎ１となる。また、回転数増加率Ｋ１＝Ｎｏｕｔ／ｎ１＝（２×ｎ２／ｎ１）－１となる。回転数増加率Ｋ１は最大でも１（ｎ１＝ｎ２のとき）であり、効果は生じない。仮に、Ｕ相とＶ相との電気接続の入れ替えを行わない場合には回転数Ｎａの符号の反転はなくなるが、出力軸回転数Ｎｏｕｔ＝ｎ２＋Ｎａ＝ｎ１となり、やはり効果は生じない。
　回転数条件イ）０≦ｎ１＜ｎ２では、出力軸回転数Ｎｏｕｔ＝２×ｎ２－ｎ１となり、回転数増加率Ｋ２＝Ｎｏｕｔ／ｎ２＝２－（ｎ１／ｎ２）となる。回転数増加率Ｋ２は最大で２（ｎ１＝０のとき）となり、顕著な効果が生じる。
　回転数条件ウ）ｎ１＜０＜ｎ２（ただし、ｎ２≧（ｎ１の絶対値））では、出力軸回転数Ｎｏｕｔ＝２×ｎ２＋（ｎ１の絶対値）となり、回転数増加率Ｋ３＝Ｎｏｕｔ／ｎ２＝２＋（ｎ１の絶対値／ｎ２）となる。回転数増加率Ｋ３は最大で３（ｎ１＝―ｎ２のとき）となり、顕著な効果が生じる。
　回転数条件エ）ｎ１＜０＜ｎ２（ただし、ｎ２＜（ｎ１の絶対値））では、出力軸回転数Ｎｏｕｔ＝２×ｎ２＋（ｎ１の絶対値）となり、回転数増加率Ｋ４＝Ｎｏｕｔ／（ｎ１の絶対値）＝２×ｎ２／（ｎ１の絶対値）＋１となる。回転数増加率Ｋ４は最大で３（ｎ１＝―ｎ２のとき）となり、ｎ１＝―２×ｎ２で回転数増加率Ｋ４＝２となる範囲まで顕著な効果が生じる。
　なお、回転数条件イ～エ）では、図５の出力特性の欄に示されるように、多重回転子形電動機１の出力特性がアウターモータユニット単体およびインナーモータユニット単体よりも高速回転側に位置している。つまり、回転数増加率Ｋ２～Ｋ４が１を超え、高速回転数を得られる効果が生じる。
　図６は、図５で得られた回転数増加率Ｋ（Ｋ１～Ｋ４）をグラフ化して示した図である。図中の横軸は回転数ｎ１、縦軸は回転数増加率Ｋである。図６から明らかなように、回転数ｎ１が回転数ｎ２の逆回転方向（負値）で絶対値が等しいときに、回転数増加率Ｋは最大値３となる。ここで、前述したようにアウターモータユニットおよびインナーモータユニットは、回転数とトルクとの関係を示す出力特性が互いにほぼ同一になるように構成されている。したがって、インバータ装置７２から周波数および電流値が概ね等しく相順を反転した第１および第２交流電流を重累して固定子巻線３１に通電すれば、回転数増加率Ｋが３で電流値に応じたトルクを出力する多重回転子形電動機１を実現できる。
　以上説明したように、第１実施形態の多重回転子形電動機１によれば、回転数増加率Ｋが最大３となるまで高速回転化が可能である。また、複数のモータユニットを別々に設けるのではなく複合一体化しており、加えて誘導巻線４４により非接触で誘導起電力を生起できブラシなどの回転給電部が不要であることから、多重回転子形電動機１を小形化でき、製造コストは低廉になる。さらに、電源部７を単一のインバータ装置７２で実現できることから、製造コストは一層低廉になる。また、回転給電部が不要であることから、メンテナンスフリーを実現でき、ランニングコストも低廉になる。
　さらに、固定子３の固定子巻線３１と複合回転子４の誘導巻線４４とは、同じコイル構成とされかつ周方向の相の配列順も一致するように配置されている。また、周方向に関する複合回転子４の誘導巻線４４の三相の位置と回転子巻線４７の三相の位置とは一致している。これにより、各巻線３１、４４、４７のコイル構成やコイル間の接続方法が統一されて分かりやすくかつ製造作業も容易となり、製造コストを削減できる。また、誘導巻線４４および回転子巻線４７の対応する各相端子のいずれか二相を入れ替えて電気接続しているので、容易に電気接続を適正化できる。
　なお、第１実施形態では固定子巻線３１と回転子巻線４７の極対数は同一としているが、異なる値とすることも可能である。ただし、図２に示された各巻線の構成は変化する。この場合の一般的な回転数増加率Ｋは、図７により求めることができる。図７は、固定子巻線と回転子巻線の極対数が異なる場合の回転数増加率Ｋを説明する一覧表の図である。図中の計算式で、固定子巻線の極対数Ｐ２、回転子巻線の極対数Ｐ１である。極対数が同一である図５の場合と同様に、回転数条件オ）０＜ｎ２≦ｎ１で効果は生じず、回転数条件カ）０≦ｎ１＜ｎ２、キ）ｎ１＜０＜ｎ２（ただし、ｎ２≧（ｎ１の絶対値））、およびク）ｎ１＜０＜ｎ２（ただし、ｎ２＜（ｎ１の絶対値））で効果が生じる。
　次に、第２実施形態の多重回転子形電動機１０について説明する。第２実施形態の多重回転子形電動機１０は、第１実施形態の複合回転子４の誘導巻線４４および回転子巻線４７をトロイダルコイル群８に置き換えて構成され、他の部位は第１実施形態と同じである。図８は、第２実施形態の多重回転子形電動機１０の固定子３、複合回転子４０、および回転子５の電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。図８で、上側は外径側、下側は内径側であり、左右方向は周方向の電気角３６０°分の円弧状部分を直線状に展開表示したものである。トロイダルコイル群８は、電気角３６０°の範囲で１２個のトロイダルコイルにより構成されており、以下に詳述する。
　図８を図２と比較するとわかるように、第２実施形態では誘導巻線４４を構成する２個のＵ相コイル４４Ｕ１、４４Ｕ２および回転子巻線４７構成する２個のＶ相コイル４７Ｖ１、４７Ｖ２に代えて、４個のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８１～８４が設けられている。同様に、誘導巻線４４を構成する２個のＶ相コイル４４Ｖ１、４４Ｖ２および回転子巻線４７構成する２個のＵ相コイル４７Ｕ１、４７Ｕ２に代えて、４個のＶ－Ｕ相トロイダルコイル８５～８７（４個目は図略）が設けられている。また、誘導巻線４４を構成する２個のＷ相コイル４４Ｗ１（２個目は図略）および回転子巻線４７構成する２個のＷ相コイル４７Ｗ１（２個目は図略）に代えて、４個のＷ－Ｗ相トロイダルコイル８８、８９（３個目および４個目は図略）が設けられている。
　各トロイダルコイル８１～８９は、複合回転子４０の外側コア４２および内側コア４８の両方に鎖交するように磁気分離部４５を超えて巻回形成されている。第１のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８１は、誘導巻線４４の第１のＵ相コイル４４Ｕ１が巻回されていた外側コア４２の一方のティース間４２２と、回転子巻線４７の第１のＶ相コイル４７Ｖ１が巻回されていた内側コア４８の一方のティース間４８２との間に巻回形成されている。第２のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８２は、誘導巻線４４の第１のＵ相コイル４４Ｕ１が巻回されていた外側コア４２の他方のティース間４２３と、回転子巻線４７の第１のＶ相コイル４７Ｖ１が巻回されていた内側コア４８の他方のティース間４８３との間に巻回形成されている。
　第３および第４のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８３、８４はそれぞれ、誘導巻線４４の第２のＵ相コイル４４Ｕ２が巻回されていた外側コア４２の一方および他方のティース間４２４、４２５と、回転子巻線４７の第２のＶ相コイル４７Ｖ２が巻回されていた内側コア４８の一方および他方のティース間４８４（２個目は図略）との間に巻回形成されている。結局、各Ｕ－Ｖ相トロイダルコイル８１～８４は、外側コア４２よりも内側コア４８で周方向に４ティース分だけ図中の右方向にシフトするように巻回形成されている。
　同様に、４個のＶ－Ｕ相トロイダルコイル８５～８７（４個目は図略）はそれぞれ、外側コア４２のティース間４２６、４２７，４２８（４個目は図略）と、内側コア４８のティース間４８６、４８７、４８８（４個目は図略）との間に、外側コア４２よりも内側コア４８で４ティース分だけ図中の左方向にシフトするように巻回形成されている。また、４個のＷ－Ｗ相トロイダルコイル８８、８９（３個目および４個目は図略）はそれぞれ、外側コア４２のティース間４２９、４２Ａ（３個目および４個目は図略）と、これらに内外対称な内側コア４８のティース間４８９、４８Ａ（３個目および４個目は図略）との間に巻回形成されている。
　次に、トロイダルコイル群８の機能について、第１および第２のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８１、８２を例にして説明する。図９で、（１）は第１実施形態の誘導巻線４４および回転子巻線４７の機能を説明する図、（２）は第２実施形態のトロイダルコイル群８の機能を説明する図である。図９（１）の第１実施形態において、固定子巻線３１のＵ相コイル３１Ｕ１に交流電流が通電されて固定子３のコア３２の各ティース３２１に磁束φが生起される場合を考える。磁束φは、ギャップＧ１を越えて複合回転子４の外側コア４２の各ティース４２１に到達し、誘導巻線４４のＵ相コイル４４Ｕ１に鎖交し、ヨーク部で磁束φＹ１１、φＹ１２に分岐する。誘導巻線４４のＵ相コイル４４Ｕ１は、ティース４２１の５個分を周回しており、磁束φの５個分に鎖交して誘導起電力が発生する。この誘導起電力が回転子巻線４７の第１のＶ相コイル４７Ｖ１に供給されて電流が流れ、内側コア４８の各ティース４８１に磁束φ２が形成され、回転子回転磁界が形成される。また、回転子回転磁界の大きさは、元の磁束φの５個分に比例する。
　一方、図９（２）の第２実施形態において、固定子３側の各ティース３２１に磁束φが生起される場合、磁束φが外側コア４２の各ティース４２１に到達し、ヨーク部で磁束φＹ１１、φＹ１２に分岐する（φＹ１１＋φＹ１２＝５φ）点は同じである。第１および第２のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８１、８２は、分岐前または分岐後の磁束に鎖交し、それぞれに誘導起電力が発生する。これにより、第１および第２のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８１、８２にそれぞれ電流が流れ、鎖交している内側コア４８のヨーク部に磁束φＹ２１、φＹ２２が発生する。これにより、各ティース４８１に磁束φ２が形成され、回転子回転磁界が形成される。回転子回転磁界の大きさは、ヨーク部の磁束φＹ２１、φＹ２２の和に比例し、すなわち元の磁束φの５個分に比例する。
　上記の機能は、トロイダルコイル群８を構成する他のトロイダルコイル８３～８９でも略同様である。したがって、第２実施形態のトロイダルコイル群８は、内側コア４８に回転子回転磁界を形成する点で、第１実施形態の誘導巻線４４および回転子巻線４７と同等の機能を有する。
　次に、トロイダルコイル群８の配置を変形した第２実施形態のバリエーションについて説明する。図８に示される第２実施形態では、トロイダルコイル相互が交差して重なっているので、多重回転子形電動機１０が軸方向に大形化してしまう。この対応策として、トロイダルコイル群８を巻回形成する引き回しルートを変更するバリエーションが考えられる。図１０は、第２実施形態の多重回転子形電動機１０のバリエーションの電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。図示されるように、Ｗ－Ｗ相トロイダルコイル８８、８９（３個目および４個目は図略）を避けるように、Ｕ－Ｖ相トロイダルコイル８１～８４およびＶ－Ｕ相トロイダルコイル８５～８７（４個目は図略）を屈曲させて引き回すことができる。これにより、コイル相互の交差をなくして軸方向の大形化を避けることができる。
　次に、第２実施形態およびそのバリエーションでの固定子巻線３１およびトロイダルコイル群８の結線方法ならびに電気接続について、図１１を参考にして説明する。図示されるように、固定子巻線３１が三相Ｙ結線され、インバータ装置７２に電気接続される点は第１実施形態と同じである。一方、トロイダルコイル群８では、４個のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８１～８４が順次直列接続され、一端にＵ相端子８ＵＴ、他端にＵ相中性点８ＮＵが設けられる。同様に、４個のＶ－Ｕ相トロイダルコイル８５～８７（４個目は図略）が順次直列接続され、一端にＶ相端子８ＶＴ、他端にＶ相中性点８ＮＶが設けられる。また、４個のＷ－Ｗ相トロイダルコイル８８、８９（３個目および４個目は図略）が順次直列接続され、一端にＷ相端子８ＷＴ、他端にＷ相中性点８ＮＷが設けられる。そして、３相の各相端子８ＵＴ、８ＶＴ、８ＷＴが接続され、各相中性点８ＮＵ、８ＮＶ、８ＮＷが接続される。
　図１２は、回転子５側から固定子３側を見た場合の固定子巻線３１およびトロイダルコイル群８の電気角３６０°分のコイル構成を説明する図である。図中の上段の固定子巻線３１のコイル構成は、図４で説明した第１実施形態と同じである。トロイダルコイル群８のコイル構成は錯綜して見えにくいので、図１３～図１５に分けて再掲する。
　図１３は、回転子５側から固定子３側を見た場合のトロイダルコイル群８中のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８１～８４のコイル構成を説明する図である。図示されるように、Ｕ相端子８ＵＴから出た導体は、第１のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８１で所定回数だけ反時計回りに周回したのち、第２のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８２に渡って所定回数だけ時計回りに周回して第３のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８３に渡る。さらに、導体は、第３のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８３を所定回数だけ時計回りに周回したのち、第４のＵ－Ｖ相トロイダルコイル８４に渡って所定回数だけ反時計回りに周回し、Ｕ相中性点８ＮＵに達する。
　図１４は、回転子５側から固定子３側を見た場合のトロイダルコイル群８中のＶ－Ｕ相トロイダルコイル８５～８７のコイル構成を説明する図である。図示されるように、Ｖ相端子８ＶＴから出た導体は、第１のＶ－Ｕ相トロイダルコイル８５で所定回数だけ反時計回りに周回したのち、第２のＶ－Ｕ相トロイダルコイル８６に渡って所定回数だけ時計回りに周回して第３のＶ－Ｕ相トロイダルコイル８７に渡る。さらに、導体は、第３のＶ－Ｕ相トロイダルコイル８７を所定回数だけ時計回りに周回したのち、第４のＶ－Ｕ相トロイダルコイルに渡って所定回数だけ反時計回りに周回し、Ｖ相中性点８ＮＶに達する。
　図１５は、回転子５側から固定子３側を見た場合のトロイダルコイル群８中のＷ－Ｗ相トロイダルコイル８８、８９のコイル構成を説明する図である。図示されるように、Ｗ相端子８ＷＴから出た導体は、第１のＷ－Ｗ相トロイダルコイル８８で所定回数だけ反時計回りに周回したのち、第２のＷ－Ｗ相トロイダルコイル８９に渡って所定回数だけ時計回りに周回して第３のＷ－Ｗ相トロイダルコイルに渡る。さらに、導体は、第３のＷ－Ｗ相トロイダルコイルを所定回数だけ時計回りに周回したのち、第４のＷ－Ｗ相トロイダルコイルに渡って所定回数だけ反時計回りに周回し、Ｗ相中性点８ＮＷに達する。なお、図１１～図１５に示す第２実施形態では、同相コイル群に周回方向の異なるコイルが混在している場合が例示されており、コイルの周回方向を統一しコイル間の繋ぎ方を変更することにより対処してもよい。
　上述のように構成された第２実施形態の多重回転子形電動機１０の動作は、図５および図６で説明した第１実施形態と同じになる。また、第１実施形態と同等の効果に加えて、さらに、トロイダルコイル８１～８９が外側コア４２および内側コア４８に跨って巻回されることにより保持強度が向上するので、耐遠心力強度の確保が容易となり、製造コストを低減できる。
　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の実態構成を実施例で説明する。図１６は、第１実施形態の多重回転子形電動機１の実態構成の同軸内外配置例１１を説明する断面図である。同軸内外配置例１１では、アウターモータユニットおよびインナーモータユニットが、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１７は、第１実施形態とはモータユニットの配置が異なる多重回転子形電動機の実態構成のタンデム配置例１２を説明する断面図である。タンデム配置例１２では、アウターモータユニットおよびインナーモータユニットは、軸線ＡＸを共通として軸線ＡＸ方向に並んで配置される。
　図１６に示される同軸内外配置例で、固定子３はケース２の内面に固定され、固定子３の内径側に複合回転子４が配置されている。複合回転子４は、軸線ＡＸ方向両側に延びる円筒状の中間軸４Ｍを有している。中間軸４Ｍは、軸線ＡＸ方向の両側で縮径され、縮径された両側の端部４Ｍ２、４Ｍ３の外周面とケース２との間に一対の軸受け部２２，２３が配設されている。軸受け部２２、２３により、中間軸４Ｍはケース２に回転自在に軸承されている。
　また、複合回転子４の内径側に回転子５が配置されている。回転子５の中心には出力軸６が貫設されている。出力軸６は軸線ＡＸ方向両側に延在し、その両端部６１、６２はケース２の外部に突出している。出力軸６の各両端部６１、６２寄りの外周面と中間軸４Ｍの端部４Ｍ２、４Ｍ３の内周面との間に一対の軸受け部２４、２５が配設されている。軸受け部２４，２５により、出力軸６は中間軸４Ｍに回転自在に軸承されている。なお、電源部７は、図１６では省略されている。
　図１６の同軸内外配置例では、軸受け部２２，２３にはアウターモータユニットの回転数が作用し、軸受け部２４、２５にはインナーモータユニットの相対回転数が作用する。つまり、軸受け部２２～２５に作用する回転数は、出力軸６のケース２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。
　図１７に示されるタンデム配置例１２で、固定子３０はケース２の内面に固定され、固定子３０の内径側に複合回転子４００の回転界磁部４１、外側コア４２、および誘導巻線４４が配置されている。外側コア４２中心には中間軸４Ｎが貫設されている。中間軸４Ｎの軸線ＡＸ方向の一側（図中左側）は延在し、その一端部４Ｎ１がケース２の外部に突出している。中間軸４Ｎの一端部４Ｎ１寄りの外周面とケース２との間に軸受け部２６が配設されている。また、中間軸４Ｎの軸線ＡＸ方向の他側は拡径されて有底円筒部４Ｎ２となっている。有底円筒部４Ｎ２の内周面に内側コア４８および回転子巻線４７が配置されている。本実施例では、複合回転子４００の外側コア４２と内側コア４８との間は十分に離隔しており、磁気分離部は不要である。
　複合回転子４００の内側コア４８の内径側に、回転子５０が配置されている。回転子５０の中心には出力軸６０が貫設されている。出力軸６０の軸線ＡＸ方向の一側（図中右側）は延在し、その一端部６３がケース２の外部に突出している。出力軸６０の一端部６３寄りの外周面とケース２との間に軸受け部２７が配設されている。出力軸６０は軸線ＡＸ方向の他側（図中左側）にも延在しており、その他端部６４と中間軸４Ｎの有底円筒部４Ｎ２との間に軸受け部２８が配設されている。中間軸４Ｎおよび出力軸６０は、軸受け部２６～２８の協働により、ケース２に回転自在に軸承されている。なお、電源部７は、図１７では省略されている。
　図１７のタンデム配置例１２では、軸受け部２６にはアウターモータユニットの回転数が作用し、軸受け部２８にはインナーモータユニットの相対回転数が作用する。そして、軸受け部２７にはケース２に対する出力軸６０の出力回転数、すなわち、両モータユニットの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、軸受け部２７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とインナーモータユニットの製作寸法諸元が類似するので、両モータユニットの出力特性を揃えることは比較的容易である。
　なお、各実施形態および実施例で、複合回転子４、４０、４００および出力軸６、６０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７３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、各モータユニットの固定子および回転子を同軸内外に配置した例を示したが、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。
　また、複合回転子４または回転子５に外部トルクを入力および遮断できる構成とすることができる。これにより、多重回転子形電動機１で発生したトルクを外部トルクに加えて出力軸７から出力できる。あるいは、複合回転子４をケースに対して着脱可能に固定する機構を設けることができる。これにより、負荷が軽い場合に、複合回転子４を固定してインナー（第２）モータユニットのみを用い、アウター（第１）モータユニットの損失を節約して効率を向上できる。
　さらに、２つの複合回転子を備えることも可能である。つまり、固定子と第１複合回転子との間、第１および第２複合回転子の間、第２複合回転子と回転子との間にそれぞれモータユニットを構成し、電源部から固定子の巻線に周波数の異なる三つの交流電流を重累して通電し、２つの複合回転子で順次誘導起電力を生起するとともに回転数を加算し、回転子で大きな出力回転数を得ることができる。本発明は、その他様々な変形や応用が可能である。
　本発明の多重回転子形電動機は、ハイブリッド車両や電気自動車の駆動源などに利用でき、特に高速回転が必要とされる用途に適する。
　１、１０：多重回転子形電動機
　１１：同軸内外配置例　　１２：タンデム配置例
　２：ケース　　２１～２８：軸受け部
　３、３０：固定子
　　　　３１：固定子巻線　　３１Ｕ１、３１Ｕ２：Ｕ相コイル
　　　　　　　　３１Ｖ１、３１Ｖ２：Ｖ相コイル　　３１Ｗ１：Ｗ相コイル
　　　　３２：コア
　４、４０、４００：複合回転子
　　　　４１：回転界磁部　　４２：外側コア
　　　　４４：誘導巻線　　４４Ｕ１、４４Ｕ２：Ｕ相コイル
　　　　　　　　４４Ｖ１、４４Ｖ２：Ｖ相コイル　　４４Ｗ１：Ｗ相コイル
　　　　４５：磁気分離部
　　　　４７：回転子巻線　　４７Ｕ１、４７Ｕ２：Ｕ相コイル
　　　　　　　　４７Ｖ１、４７Ｖ２：Ｖ相コイル　　４７Ｗ１：Ｗ相コイル
　　　　４８：内側コア
　　　　４９：接続リード
　　　　４Ｍ：中間軸　　４Ｎ：中間軸
　５、５０：回転子　　５１：出力界磁部　　５２：コア
　６、６０：出力軸
　７：電源部
　　　　７１：直流電源装置　　７２：インバータ装置　　７３：インバータ制御部
　８：トロイダルコイル群
　　　　８１～８４：Ｕ－Ｖ相トロイダルコイル
　　　　８５～８７：Ｖ－Ｕ相トロイダルコイル
　　　　８８、８９：Ｗ－Ｗ相トロイダルコイル

Claims (11)

  1. 　固定子回転磁界を形成する固定子巻線を有してケースに固定された固定子と、
    　前記固定子回転磁界との電磁相互作用によりトルクを生起する回転界磁部および、前記固定子回転磁界との電磁誘導作用により誘導起電力を生起する誘導巻線および、前記誘導巻線に電気接続されて前記固定子回転磁界と同じ回転方向の回転子回転磁界を形成する回転子巻線を有し、前記ケースに回転自在に軸承された複合回転子と、
    　前記回転子回転磁界との電磁相互作用によりトルクを生起する出力界磁部を有し、前記複合回転子と同じ方向にかつ前記複合回転子よりも高速で回転可能な回転子と、
    　前記回転子に結合され、前記ケースまたは前記複合回転子に回転自在に軸承された出力軸と、
    　前記固定子巻線に周波数の異なる二つの交流電流を重累して通電する電源部と、
    　を備える多重回転子形電動機。
  2. 　請求項１において、前記電源部が前記固定子巻線に通電する周波数ｆ１の第１交流電流により形成される第１固定子回転磁界の磁束Φ１、回転数ｎ１、および前記固定子巻線と前記回転界磁部との間のトルクＴ１とし、周波数ｆ２の第２交流電流により形成される第２固定子回転磁界の磁束Φ２、回転数ｎ２、および前記固定子巻線と前記回転界磁部との間のトルクＴ２とし、前記回転子巻線と前記出力界磁部との間のトルクＴｏｕｔとしたとき、
    　前記磁束Φ１＜前記磁束Φ２、かつ前記トルクＴ１＜前記トルクＴ２、かつ（前記トルクＴ２－前記トルクＴ１）＞前記トルクＴｏｕｔであり、
    　さらに、前記回転数ｎ１＜前記回転数ｎ２である多重回転子形電動機。
  3. 　請求項２において、前記第１固定子回転磁界と前記第２固定子回転磁界の回転方向が同じ場合は、前記回転数ｎ１＜前記回転数ｎ２であり、
    　前記第１固定子回転磁界と前記第２固定子回転磁界の回転方向が異なる場合は前記回転数ｎ１を負値で表し、０＜（前記回転数ｎ１の絶対値）＜（２×前記回転数ｎ２）であ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、前記複合回転子の前記回転界磁部および前記誘導巻線が有するコアと、前記回転子巻線が有するコアとの間を磁気的に分離する磁気分離部を有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、前記固定子の前記固定子巻線および前記複合回転子の前記回転界磁部で構成される第１モータユニットと、前記複合回転子の前記回転子巻線および前記回転子の前記出力界磁部で構成される第２モータユニットとは、回転数と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多重回転子形電動機。
  6. 　請求項５において、前記第２モータユニットは、前記第１モータユニットの回転数の２倍まで出力可能であることを特徴とする多重回転子形電動機。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項において、前記固定子の前記固定子巻線、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線は全て三相結線されており、かつ、前記誘導巻線と前記回転子巻線とは二相が入れ替えられて電気接続されてい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、前記固定子の前記固定子巻線、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線は、すべて同じコイル構成とされかつ周方向の相の配列順も一致している多重回転子形電動機。
  9. 　請求項８において、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線は三相結線されており、周方向に関する前記複合回転子の前記誘導巻線の三相の位置と前記回転子巻線の三相の位置とは一致する多重回転子形電動機。
  10. 　請求項６～９のいずれか一項において、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線の中でそれぞれＹ結線またはΔ結線を行って各相端子を構成し、前記誘導巻線および前記回転子巻線の対応する各相端子のいずれか二相を入れ替えて電気接続する多重回転子形電動機。
  11. 　請求項１～６のいずれか一項において、前記複合回転子の前記誘導巻線および前記回転子巻線に代えてトロイダルコイル群を用いる多重回転子形電動機。
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