JP2006271056A

JP2006271056A - 回転電機

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Publication number: JP2006271056A
Application number: JP2005083251A
Authority: JP
Inventors: Masao Morita; 正夫守田; Koki Naka; 興起仲; Masaya Inoue; 正哉井上; Akira Hashimoto; 昭橋本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: CN100468914C; JP4369384B2; US20060214526A1; CN1838508A; US7382071B2; DE102005058030A1

Abstract

【課題】同心状に配置された複数の電機子の位相を変えることで可変速制御を容易に行えるとともに、比較的簡単な構成でもって回転子５の両端を確実に支持して剛性を高めた回転電機を提供する。
【解決手段】複数相の電機子巻線１２，２２を有する複数の電機子１，２と、永久磁石５３を有する回転子５とを備え、各電機子１，２は、互いに同心状に配置されるとともに、周方向の電気的位相が互いに変化するように相対的に回動可能に設けられ、かつ、各相毎の電機子巻線１２，２２が各電機子１，２間で直列に接続されており、これらの電機子１，２よりも内側に回転子５が同心状に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変速永久磁石式の回転電機に関する。

従来、可変速永久磁石式の回転電動機として、電機子の電気的位相を変えるために、回転子を挟むように回転子の内周側と外周側にそれぞれ電機子を設置したダブルアマチュア方式のものが提供されている（例えば特許文献１参照）。

すなわち、この特許文献１では、回転子の内周側と外周側にそれぞれ電機子を同心状に配置し、これらの電機子の周方向の相対的な位置を可変にして、電機子上で鎖交する磁界の合成値が、最大値とならず互いに弱め合うように制御する、いわゆる弱め磁界制御により、高速度域で電機子巻線に誘起される合成電圧を下げて印加可能な電圧値を越えないように運転できるようにし、これによって、可変速運転制御を容易に行うとともに、電気的制約を少なくして設計の自由度を高めるようにしている。

特開２００３−９４８６号公報

従来、このような２つの電機子を有するダブルアマチュア方式の回転電機にあっては、回転子の外周側のみならず内周側にも固定子側の電機子が存在するので、通常、回転子を片持ち支持した構造となっている。そのため、回転子の回転を安定保持することが難しい。つまり、回転子の軸長の短い場合にはこのような片持ち支持構造を適用することが容易であるが、回転子の軸長が長くなると安定保持が難しい。そこで、従来技術では、回転子の回転を安定保持するために、回転子の両端にベアリング等の軸受けを設けて支持する構造とすることも試みられているが、支持構造が極めて複雑になるという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、複数の電機子の電気的位相を相対的に変化させることで可変速制御を容易に行えるとともに、比較的簡単な構成でもって回転子の両端を確実に支持して剛性を高めることが可能な回転電機を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、永久磁石を用いた可変速の回転電機であって、複数相の電機子巻線を有する複数の電機子と、永久磁石を有する回転子とを備え、上記各電機子は、互いに同心状に配置されるとともに、周方向の電気的位相が変化するように相対的に回動可能に設けられ、かつ、上記各相毎の電機子巻線が各電機子間で直列に接続されており、これらの電機子よりも内側に上記回転子が同心状に配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、同心状に配置された複数の電機子の周方向の電気的位相を相対的に変化させることで可変速制御を容易に行うという利点をそのまま維持しながら、回転子の両軸で軸受け等を用いた支持構造を採用できるため、回転子の剛性が高くなり、一般的な回転電機である軸長の長いものにも容易に適用することが可能になる。

以下、本発明を可変速永久磁石式の回転電動機に適用した場合の実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における可変速永久磁石式の回転電動機を示す横断面図、図２は同回転電動機の縦断面図である。

この実施の形態１の可変速永久磁石式の回転電動機は、第１の電機子１と、その内側の第２の電機子２とを有し、これらの電機子１，２が僅かな隙間３を介して互いに同心状に配置されるとともに、これらの電機子１，２のさらに内側に磁気的空隙４を介して回転子５が同心状に配置されている。なお、ここでの回転電動機は、８極６スロットのものであるが、本発明は、このような極数やスロット数に限定されるものではない。

第１の電機子１は、円筒状のコアバック１１ａの内周面の周方向に沿って所定ピッチでティース１１ｂが形成されてなる電機子鉄心１１を有し、各ティース１１ｂ間には各相毎に電機子巻線１２が配置されて構成されている。そして、この第１の電機子１は、ハウジング６の内面周に固定されている。

また、第２の電機子２は、複数相の電機子巻線２２を有しており、これらの電機子巻線２２は例えばモールド樹脂などの非磁性で非導電体の材料を用いて一体化されている。そして、この第２の電機子２は、ハウジング６内に設けられたプラスチック等のような非磁性で非導電体でできた支持円筒７の外周面に固定されている。そして、この支持円筒７は、ハウジング６の左右のブラケット６１に設けた各軸受け８によって回転自在に支持されるとともに、所定の機械角分を有するフェースギア９が取り付けられている。また、このフェースギア９はハウジング６の外部に設けた平歯車１５と噛み合わされ、この平歯車１５に駆動モータ１６が取り付けられている。

したがって、駆動モータ１６を駆動して平歯車１５を介してフェースギア９を所定の機械角分回動させると、これに伴い、第２の電機子２が支持円筒７と共に所定角度分だけ回動し、これによって、第１、第２の電機子１，２の周方向の電気的位相が相対的に変化される。なお、このように、第１、第２の電機子１，２の周方向の電気角を相対的に変えることによりそれらの合成電圧を可変できることは周知の技術であるので、ここでは詳しい説明は省略する。

さらに、第１、第２の電機子１，２の電機子巻線１２，２２は、各相毎に電機子１，２間で直列に接続されている。なお、この場合、第１、第２の電機子１，２間の各相毎の電機子巻線１２，２２を接続するための図示しないケーブルは、第２の電機子２が周方向に所定角度分だけ回動された場合でも切断されないように、ある程度の余裕をもった長さに設定されている。

また、上記の回転子５は、界磁鉄心５１の中央にシャフト５２が設けられとともに、外周面には周方向に沿って所定ピッチで永久磁石５３が取り付けられている。そして、シャフトの両端は、ハウジング６のブラケット６１に取り付けられた軸受け１７により回転自在に支持されている。このように、回転子５が固定されたシャフト５２の両端を軸受け１７で支持する構造は、一般的な回転電機と同様の支持構造であって機械的に強固であるので、一般的な軸長の長い回転子５を有する場合にも適用することができる。

図３は、図１および図２に示した構成の回転電動機において、第１、第２の電機子１，２の周方向の電気的位相を相対的に変化させた場合の各相の電機子巻線１２，２２に誘起される電圧を合成した合成電圧を電磁界解析により求めた特性図である。ここに、横軸には第１、第２の電機子１，２の周方向の相対電気角を示し、縦軸は第１、第２の電機子１，２の合成電圧を規格化して示している。

図３から分かるように、この実施の形態１の構成を有する回転電動機においては、第１、第２の電機子１，２の電気角を相対的に変えることにより合成電圧を可変することができる。このため、弱め磁界制御により可変速運転制御を容易に行うことができ、しかも、電気的制約を少なくして設計の自由度を高めることが可能である。

なお、図３に示したように、２つの電機子１，２が同心状に配置された場合には、合成電圧を略ゼロとするためには、第１の電機子１と第２の電機子２の相対電気角が１８０度であることが必要であるが、例えば３つの電機子が同心状に配置された構成の場合には、それぞれの相対電気角が１２０度であれば、それぞれのベクトル和を略ゼロすることができる。

また、この実施の形態１では、図１および図２に示したように、第１の電機子１は、径方向最外方に位置し、かつ、電機子鉄心１１を有していることから、第２の電機子２と比較すると重量が重たい。第１、第２の電機子１，２の周方向の電気的位相を変化させるためには、重量の軽い方が慣性モーメントが小さくて素早く移動させる点で有利である。したがって、この実施の形態１のように、重量の重い第１の電機子１を固定とし、第２の電機子２を回動させる方がこの点でも有利である。

図４は、回転子５に発生するトルクに対して、第２の電機子２が受けるトルク反力の大きさを、第２の電機子２にティース（コア）がない場合と、ティースがある場合とのそれぞれについて調べた結果を示す特性図である。ここに、横軸は回転子５に発生するトルクを表し、縦軸は第２の電機子２が受けるトルク反力を示している。なお、第２の電機子２が受けるトルク反力は、第１、第２の電機子１，２の相対電気角によって異なるので、図中にはそれらを斜線で示す範囲によって表している。

図４から分かるように、第２の電機子２にティースがない場合の方が、ティースがある場合に比べて第２の電機子２が受けるトルク反力の絶対値が相対的に小さい。この実施の形態１では、図１および図２に示したように、第１の電機子１にはティース１１ｂを形成しているが、第２の電機子２にはティース（コア）を設けていないので、第２の電機子２の受けるトルク反力が小さい点で有利であり、重量の重い第１の電機子１を固定している点と相俟って、第２の電機子２の支持構造を簡単に構成できるという効果が得られる。

このように、この実施の形態１の可変速永久磁石式の回転電動機によれば、第１、第２の電機子１，２の周方向の電気的位相を変化させることにより、合成電圧を可変して可変速運転制御を容易に行えるという利点を維持しながら、簡単な構成でもって回転子５の両端を軸受け１７により支持できるため、回転子５の剛性が高くなり、一般的な回転電機である軸長の長いものにも容易に適用することが可能になる。

また、この実施の形態１では、第１の電機子１を固定し、第２の電機子２を回動させ、また、第２の電機子２にはティースを省いた構成としているので、慣性モーメントやトルク反力が小さく、第１、第２の電機子１，２の電気的位相を迅速に変化させることができるという利点がある。

なお、この実施の形態１では、２つの電機子１，２が同心状に配置された構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、３つ以上の電機子が同心状に配置された構成の回転電動機であってもよく、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２における可変速永久磁石式の回転電動機を示す横断面図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２における回転電動機の特徴は、第２の電機子２に複数相の電機子巻線２２が設けられるとともに、これらの電機子巻線２２の間にティース（コア）２３が設けられていることである。そして、これらの電機子巻線２２とティース２３とは、例えばモールド樹脂などの非磁性で非導電体の材料を用いて一体化されている。

この実施の形態２のように、第１、第２の電機子１，２の双方にティース１１ｂ，２３を設けた場合には、実施の形態１（図１）のように第２の電機子２にティースを設けていない場合に比べると、回転子５に設置された永久磁石５３が作る磁束が通る低磁気抵抗の磁路が形成され易くなるので、第１の電機子１と第２の電機子２とに鎖交する磁束が大きくなる。

回転子５に発生するトルクは、永久磁石５３の作る磁束と電機子巻線の起磁力の積に比例するので、永久磁石５３の作る磁束が大きいほど大きなトルクを発生することができる。したがって、この実施の形態２のように第１、第２の電機子１，２の双方にティース１１ｂ，２３を設けた構成の場合には、磁気抵抗が最も小さくなって磁束が通り易くなり、回転子５に大きなトルクを発生できるという利点が得られる。

次に、この実施の形態２のように、第１、第２の電機子１，２の双方にティース１１ｂ，２３を備えた回転電動機を前提とした場合の永久磁石５３の極数と各電機子１，２のスロット数との関係について次に説明する。

図６（ａ）は、この実施の形態２（図５参照）における８極６スロットの回転電動機において第２の電機子２のティース２３が相対電気角が０度から１８０度まで動いたときの状態を示す横断面図である。また、図６（ｂ）は、８極１２スロットの回転電動機を比較例とした場合において、第２の電機子２のティース２３が相対電気角０度から１８０度まで動いたときの状態を示す横断面図である。

ここで、８極の場合、電気角１８０度は機械角で４５度となる。また、図６（ａ）では第１、第２の電機子１，２を６スロットとしたのでティース間の機械ピッチ角は６０度となる。一方、図６（ｂ）では第１、第２の電機子１，２を１２スロットとしたのでティースの機械ピッチ角は３０度となる。

図６（ａ）に示す６スロットの場合、第２の電機子２のティース２３が第１の電機子１のティース１１ｂに正対している相対電気角０度の位置（破線で示す位置）から１８０度の位置（実線で示す位置）まで動いたとき、この第２の電機子２のティース２３は、第１の電機子１の機械ピッチ角６０度離れた隣のティース１１ｂの手前の位置まで移動している。これに対して、図６（ｂ）に示す１２スロットの場合、第２の電機子２のティース２３が第１の電機子１のティース１１ｂに正対している相対電気角０度の位置（破線で示す位置）から１８０度の位置（実線で示す位置）まで動いたとき、この第２の電機子２のティース２３は、第１の電機子１の機械ピッチ角３０度離れた隣のティース１１ｂを越えた位置まで移動している。

図７は、第１、第２の電機子１，２の周方向の電気的位相を相対的に変化させた場合の各相の電機子巻線１２，２２に誘起される電圧を合成した合成電圧を、８極６スロットの場合と、８極１２スロットの場合のそれぞれについて、電磁界解析により求めた特性図である。ここに、横軸には第１、第２の電機子１，２の周方向の相対電気角を示し、縦軸は第１、第２の電機子１，２の合成電圧を規格化して示している。

図７から分かるように、第２の電機子２のティース２３が電気角０度から１８０度まで動く際、６スロットの場合には、第１、第２の電機子１，２の相対電気角が大きくなるにつれて、合成電圧がなだらかに減少している。これに対して、１２スロットの場合には、第１、第２の電機子１，２の相対電気角の変化に対して合成電圧がなだらかに減少する傾向にはならず、相対電気角が９０度付近の領域では第１、第２の電機子１，２の相対電気角が変わっても合成電圧がほとんど変わらない比較的平坦な曲線となる。

ここでは、第１、第２の電機子１，２の相対電気角を可変にして合成電圧を変える弱め磁界制御を行うので、図６（ｂ）に示した８極１２スロットの構成のように、相対電気角が９０度付近の領域において、第１、第２の電機子１，２の相対電気角に変化に対する合成電圧の変化量が小さいということは、可変速制御を行う上で好ましくない。

このように、この実施の形態２の回転電動機は、極数よりもスロット数が少なく設定されているため、第１、第２の電機子１，２の相対電気角と合成電圧との関係を略一次の関数で表現することができる。つまり、第１、第２の電機子１，２の相対電気角に対して合成電圧がなだらかに減少するので、弱め磁界制御による可変速運転制御を容易に行うことができる。

しかも、この実施の形態２では、第１、第２の電機子１，２の双方にティース１１ｂ，２３を設けているので、磁気抵抗が最も小さくなって磁束が通り易くなり、回転子５に大きなトルクを発生することができるという利点を有する。

上記の実施の形態２の回転電動機は、２つの電機子１，２を備えた構成の場合であるが、３つ以上の電機子を備えた構成の回転電動機についても、同様にして極数とスロット数との関係を定めることができる。この点について、以下さらに詳しく説明する。

いま、同心状に配置される電機子の数をＮ、ベクトル和がゼロとなる最大相対電気角をθeとすると、次式の関係が成り立つ。
θe＝２π／Ｎ（１）

極数をＮpとし、最大相対電気角θeを最大相対機械角θmに直すと、（１）式は次のようになる。
θm＝２θe／Ｎp （２）

一方、スロット数をＮsとすると、スロット間の角度θsは、次式のようになる。
θs＝２π／Ｎs （３）

合成電圧がなだらかに減少する条件は、最大相対機械角θmよりもスロット間の角度θsが大きいこと、すなわち、θm＜θsであるので、上記の式（１）〜（３）の関係から、次の条件が得られる。
Ｎs＜Ｎ・Ｎp／２（４）

したがって、２つの電機子を備えた構成の場合だけでなく、３つ以上の電機子を備えた一般的な構成の場合であっても、各電機子にティースを備えているときには、上記の式（４）の条件を満足するように極数Ｎpとスロット数Ｎsとを定めれば、相対電気角が大きくなるにつれて合成電圧がなだらかに減少する現象が得られることになり、可変速制御を良好に行うことができる。

実施の形態３．
図８はこの実施の形態３における可変速永久磁石式の回転電動機の一部を示す横断面図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。なお、図が煩雑にならないように電機子巻線や回転子は図示省略している。

この実施の形態３の回転電動機の特徴は、同心状に配置された第１、第２の電機子１，２がそれぞれがティース１１ｂ，２１ｂを有しており、第２の電機子２のティース２１ｂが磁性リング２１ａによって連結されている。

すなわち、第１の電機子１については、実施の形態１，２の場合と同様、円筒状のコアバック１１ａの内周面の周方向に沿ってティース１１ｂが形成され、相互のティース１１ｂの間に図示しない電機子巻線が配置されている。また、第２の電機子２については、円筒状をした磁性リング２１ａの外周面側において周方向に沿って所定ピッチでティース２１ｂが形成されてなる電機子鉄心２１を有し、隣り合うティース２１ｂの間に図示しない電機子巻線が配置されている。なお、この実施の形態３では、磁性リング２１ａとティース２１ｂとは打ち抜き成型等により一体形成することにより剛性が高められているが、両者２１ａ，２１ｂをそれぞれ別体に成型したものをモールド樹脂等を用いて一体化した構成であってもよい。

この実施の形態３のように、第２の電機子２においてティース２１ｂとともに磁性リング２１ａを設けることの利点について次に説明する。

いま、回転子５の外径をＤ、永久磁石５３の極数をＮｐとすると、第２の電機子２の極ピッチ幅Ｗは、次式で与えられる。
Ｗ＝π・Ｄ／Ｎp （５）

また、永久磁石５３が回転子５の表面に作る磁束密度（波高値Ｂ0）は、通常、周方向に対して略正弦波状に分布するように設計されるので、それの平均値Ｂaは、Ｂa＝２Ｂ0／πとなる。通常、電機子巻線１２，２２が集中巻きの場合には、永久磁石５３のほぼ１極分の磁束を１つのティース２１ｂに鎖交するように設計されるので、第２の電機子２のティース２１ｂの先端部の磁束密度をＢt、ティース２１ｂの周方向の幅をＳ1とすると、次式が成立する。
Ｓ1／Ｗ＝Ｂa／Ｂt （６）

式（５），（６）を整理すると、次式が得られる。
Ｓ1＝（２Ｄ・Ｂ0）／（Ｎp・Ｂt）（７）

ここで、図８中に示すように、永久磁石５３の作る磁束をφ0、第２の電機子２のティース２１ｂを流れる磁束をφ1、磁性リング２１ａを流れる磁束をφ2とし、また、漏れ磁束として許容できる磁性リング２１ａを通る漏れ磁束の比を１／Ｋとすると、次式が成り立つ。
φ1＞Ｋ・φ2 （８）

磁束は断面積と比透磁率に比例し、長さに逆比例するので、式（８）は以下のように表される。
μs1・Ｓ1／Ｌ1＞μs2・Ｓ2／Ｌ2 （９）
ここで、μs1は第１、第２の電機子１，２間の隙間３の比透磁率、μs2は第１、第２の電機子１，２の電機子鉄心１１，２１の比透磁率、Ｌ1は第１、第２の電機子１，２の各ティース１１ｂ，２１ｂの対向間の距離、Ｌ2は第２の電機子２の各ティース２１ｂの周方向の相互間距離である。

Ｌ2はスロットピッチ幅から周方向のティース幅Ｓ1を引いたものであるので、スロット数をＮsとすると、Ｌ2＝πＤ／Ｎs―Ｓ1となる。また、第１、第２の電機子１，２間の隙間３は、通常、非磁性体あるいは空気層となるのでμs1＝１となる。よって、式（９）をＳ2に関して整理すると、
Ｓ2＜２Ｂ0・Ｄ^２・｛π／Ｎs−２Ｂ0／(Ｎp・Ｂt)｝
／(μs2・Ｌ1・Ｋ・Ｎp・Ｂt) （１０）
となる。

図９は、代表的な電磁鋼板において磁束密度に対する比透磁率の変化を示す特性図である。ここに、横軸は磁束密度、縦軸は比透磁率である。なお、図中に示した２本の線の一方はＳｉ添加量が３％、他方がＳｉ添加量がゼロのものである。

通常、磁路に用いられる磁性材のＳｉ添加量は上記の３％以下のものがほとんどであり、磁束密度が２Ｔを越える辺りから、急激に比透磁率が低下して“１０”以下となって飽和する。

この実施の形態３の構成の場合、第２の電機子２の磁性リング２１ａは完全に磁気飽和した状態で用いられるので、図９の関係から比透磁率は“１０”程度以下となる。したがって、ここでは、比透磁率μsを“１０”に設定して以下の計算を行う。

また、図１０は永久磁石５３の作る磁束φ0に対して第２の電機子２のティースを通る磁束の比の関係をグラフに示したものである。図から明らかなように、Ｋ＝３以下程度から急激にティースを通る磁束が低下していることがわかる。Ｋ＝３程度以上であれば、漏れ分を許容値できるといえる。ここでは余裕を見て、Ｋ＝４とする。また、通常、永久磁石式の回転電動機では、Ｂ0として略１Ｔ、Ｂtとして略２Ｔ程度に設計されるのが一般的である。ここではＢ0＝１、ＢT＝２を用いる。

そこで、これらの値を前述の式（１０）に代入すると
Ｓ2＜Ｄ^２・（π／Ｎs−１／Ｎp）／（４０・Ｌ1・Ｎp）（１１）
となる。したがって、磁性リング２１ａの厚さＳ2を式（１１）で示される条件を満たす値に設定することにより、磁性リング２１ａへ向けて漏れる磁束φ2を許容範囲内とすることができる。

このように、この実施の形態３の回転電動機は、第２の電機子２に、（１１）式で示す条件を満たす厚さＳ2の磁性リング２１ａを形成しているので、磁性リング２１ａに漏れる磁束を許容範囲内に収めながら、第２の電機子２の機械的強度を大きくして剛性を高めることができるという利点が得られる。

なお、この実施の形態３では、図８に示したように、磁性リング２１ａをティース２１ｂの内方側に設置しているが、この構成に限らず、例えば図１１に示すように、磁性リング２１ａをティース２１ｂの外方側に設置した場合でもほぼ同様の効果を奏する。また、この実施の形態３では、第１、第２の電機子１，２の双方にティース１１ｂ，２１ｂを有することから、前述の（４）式の条件を満たすように極数Ｎpとスロット数Ｎsとを定めることにより、実施の形態２の場合と同様に可変速制御を良好に行うことができる。

実施の形態４．
図１２は、例えば実施の形態３（図８）のように、第１、第２の電機子１，２の双方にティース１１ｂ，２１ｂを設けた場合において、回転子５に発生するトルクに対して第１、第２の各電機子１，２が受けるトルク反力の大きさを調べた結果を示す特性図である。ここに、横軸は回転子５に発生するトルクを表し、縦軸は第１，第２の電機子１，２の受けるトルク反力を示している。なお、トルク反力は、第１、第２の電機子１，２の相対電気角によって異なるので、図中にはそれらを斜線で示す範囲によって表している。

図１２から分かるように、第１、第２の電機子１，２の双方にティース１１ｂ，２１ｂがある場合には、第２の電機子２が受けるトルク反力の絶対値は、第１の電機子１が受けるトルク反力と比べて大きい。したがって、第１、第２の電機子１，２の双方にティース１１ｂ，２１ｂを設けた構成とする場合には、第１、第２の電機子２の周方向の電気的位相を迅速に変化させるという点からは、実施の形態１の場合と異なり、トルク反力の絶対値の大きい第２の電機子２を固定とし、トルク反力の絶対値の小さい第１の電機子１を回転させた方が、回転に要する外力が小さくて済むので、支持構造を簡単化する上で有利である。

そのための構成としては、例えば、第２の電機子２を支持円筒７を介してハウジング６に固定する一方、第２の電機子２の外側に別の支持円筒を回転自在に設け、この支持円筒に第１の電機子１を取り付けるとともに、この第１の電機子１を取り付けた支持円筒をハウジング６の外部に設けた駆動モータで回動することにより実現することができる。

このように、第１、第２の電機子２の双方にティース１１ｂ，２１ｂがある場合において、第１、第２の電機子１，２の周方向の電気的位相を変化させる点からは、第２の電機子２を固定し、トルク反力の絶対値の小さい第１の電機子１を回転させた方が回転に要する外力が小さくて済むので有利である。

なお、この点については、上記の実施の形態２（図５）の回転電動機のように、第１の電機子１にティース１１ｂを、第２の電機子２にティース２３を設けた構成のものについても同様に適用することができる。また、ここでは２つの電機子１，２を備えた構成の場合について説明したが、３つ以上の電機子を備えた構成の回転電動機についても、同様に適用することができる。

実施の形態５．
図１３は回転子５の永久磁石５３が作る磁束が第２の電機子２の電機子巻線２２、および第１の電機子１の電機子巻線１２にそれぞれ鎖交する状態を概略的に示す説明図である。なお、以下では、第１の電機子１に設けられた電機子巻線１２を単に第１の電機子巻線と、第２の電機子２に設けられた電機子巻線２２を単に第２の電機子巻線と称する。

回転子５に設置された永久磁石５３の作る磁束は、第２の電機子巻線２２および第１の電機子巻線１２にそれぞれ鎖交する。このとき、図１３に示すように、永久磁石５３の作る磁束は、第１の電機子巻線１２に鎖交する磁束Φａの他に、この電機子巻線１２にほとんど鎖交せずに回転子５に戻ってくる磁束Φｂがある。つまり、第１、第２の電機子巻線１２，２２の巻数が同じであれば、第１の電機子巻線１２に鎖交する磁束が少なく、その結果、この第１の電機子巻線１２の誘起電圧の方が第２の電機子巻線２２の誘起電圧よりも低くなる。このため、仮に、第１の電機子１と第２の電機子２との周方向の相対電気角が１８０度となった場合でも合成電圧は略ゼロにならないこととなる。

図１４は、第１、第２の電機子１，２の周方向の電気的位相を相対的に変化させた場合の各相の電機子巻線１２，２２に誘起される電圧を合成した合成電圧を、第１の電機子巻線１２の巻数が第２の電機子巻線２２の巻数よりも多い場合と、両電機子巻線１２，２２の巻数が同じ場合のそれぞれについて、電磁界解析により求めた特性図である。ここに、横軸には第１、第２の電機子１，２の周方向の相対電気角を示し、縦軸は第１、第２の電機子１，２の合成電圧を規格化して示している。

図１４から分かるように、第１の電機子巻線１２の巻数が、第２の電機子巻線２２の巻数よりも多い場合には合成電圧を略ゼロにすることが可能であるが、両電機子巻線１２，２２の巻数が同じ場合には合成電圧は略ゼロにならない。

図１４は、合成電圧を規格化して示しているので、横軸が１８０度における規格化した合成電圧の逆数が最大可変比となる。第１の電機子巻線１２の巻数が第２の電機子巻線２２の巻数よりも多い場合には最大可変比は約３０であり、両電機子巻線１２，２２の巻数が同じ場合には最大可変比は約５．６となる。したがって、第１の電機子巻線１２の巻数を第２の電機子巻線２２の巻数よりも多くした場合には最大可変比が大きくなるので、相対角度に応じて合成電圧の可変範囲をより大きくすることができる。このため、弱め磁界制御による可変速運転制御が一層容易に行うことができる。

なお、図１３では、実施の形態１と同様に、第２の電機子２にティースがない構成の場合を示したが、実施の形態２，３で示したように第２の電機子２にティースが有る構成の場合であっても同様の効果を得ることができる。また、３つ以上の電機子を備えた構成の回転電動機においても、永久磁石５３から径方向外方に離れた位置にある電機子巻線ほど永久磁石５３の作る磁束の鎖交量が少なくなるので、外方に位置する電機子巻線ほどその巻数を多くすれば、同様の効果を得ることができる。

実施の形態６．
図１５（ａ）は第１、第２の電機子１，２の各電機子巻線１２，２２が集中巻きされている場合を示す縦断面図、図１５（ｂ）は第１、第２の電機子１，２の各電機子巻線１２，２２が分布巻きされている場合を示す縦断面図である。なお、ここでは回転子等を省略している。また、軸対称部の片側のみ示している。

これらの図から明らかなように、電機子巻線１２，２２を分布巻きした場合のコイルエンド部１２ｂ，２２ｂは、集中巻きした場合のコイルエンド部１２ａ，２２ａに比べて非常に大きくなる。したがって、第１、第２の電機子１，２の周方向の電気的位相を相対的に変化させる場合、分布巻きしたコイルエンド部１２ｂ，２２ｂよりも集中巻きしたコイルエンド部１２ａ，２２ａの方が重量が軽いので慣性モーメントが小さくなり、素早く移動させる点で有利である。したがって、第１、第２の電機子１，２のいずれを回動する場合であっても、電機子巻線１２，２２として重量の軽くなる集中巻きを採用するのが好ましい。

上記の各実施の形態１〜６では、本発明を可変速永久磁石式の回転電動機に適用した場合について説明したが、本発明は、このような回転電動機に限定されるものではなく、可変速永久磁石式の発電機についても適用することが可能である。

本発明の実施の形態１における可変速永久磁石式の回転電動機を示す横断面図である。同回転電動機の縦断面図である。本発明の実施の形態１において、第１、第２の電機子の周方向の電気的位相を相対的に変化させた場合の各相の電機子巻線に誘起される電圧を合成した合成電圧を示す特性図である。本発明の実施の形態１において、回転子に発生するトルクに対して第２の電機子が受けるトルク反力の大きさを、ティース（コア）の有無の場合について調べた結果を示す特性図である。本発明の実施の形態２における可変速永久磁石式の回転電動機を示す横断面図である。図５に示した８極６スロットの構成の回転電動機において、第２の電機子２のティースが相対電気角が０度から１８０度まで動いたときの状態を示す横断面図（ａ）、および、８極１２スロットの回転電動機において、第２の電機子２のティースが相対電気角０度から１８０度まで動いたときの状態を示す横断面図（ｂ）である。第１、第２の電機子の周方向の電気的位相を相対的に変化させた場合の各相の電機子巻線に誘起される電圧を合成した合成電圧を、８極６スロットの場合と、８極１２スロットの場合のそれぞれについて示す特性図である。本発明の実施の形態３における可変速永久磁石式の回転電動機の一部を示す横断面図である。電磁鋼板において磁束密度に対する比透磁率の変化を示す特性図である。永久磁石の作る磁束に対して第２の電機子のティースを通る磁束の比の関係を示すグラフである。本発明の実施の形態３における回転電動機の変形例を示す横断面図である。本発明の実施の形態４において、第１、第２の電機子の双方がティースを備える場合において、回転子に発生するトルクに対して第１、第２の電機子がそれぞれ受けるトルク反力の大きさを調べた結果を示す特性図である。本発明の実施の形態５において、回転子の永久磁石が作る磁束が第１、第２の各電機子の電機子巻線とそれぞれ鎖交する状態を概略的に示す説明図である。本発明の実施の形態５において、第１、第２の電機子の周方向の電気的位相を相対的に変化させた場合の各相の電機子巻線に誘起される電圧を合成した合成電圧を、第１の電機子巻線の巻数が第２の電機子巻線の巻数よりも多い場合と、両電機子巻線の巻数が同じ場合のそれぞれについて示す特性図である。本発明の実施の形態６において、（ａ）電機子巻線が集中巻きの場合および、(ｂ)電機子巻線が分布巻きの場合を示す縦断面図である。

符号の説明

１第１の電機子、１１ａコアバック、１１ｂティース、１２電機子巻線、
２第２の電機子、２１ａ磁性リング、２１ｂティース、２２電機子巻線、
２３ティース、５回転子、５２シャフト、５３永久磁石。

Claims

永久磁石を用いた可変速の回転電機であって、複数相の電機子巻線を有する複数の電機子と、永久磁石を有する回転子とを備え、上記各電機子は、互いに同心状に配置されるとともに、周方向の電気的位相が変化するように相対的に回動可能に設けられ、かつ、上記各相毎の電機子巻線が各電機子間で直列に接続されており、これらの電機子よりも内側に上記回転子が同心状に配置されていることを特徴とする回転電機。
上記電機子を相対的に回動する際の慣性モーメントを小さくする場合には、最外方の電機子を固定し、他の電機子を回動可能に設けることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
最外方に位置する電機子以外の電機子はティースを有しないことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
上記複数の電機子は、全てティースを有していることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
上記電機子の数は２つであり、各電機子はティースを備え、かつ内側の電機子のティースが磁性リングで連結されており、この磁性リングの厚さＳ２は、スロット数をＮｓ、極数をＮｐ、回転子の外径をＤ、両電機子の隙間の径方向の距離をＬ１とすると、
Ｓ2＜Ｄ^２・（π／Ｎs−１／Ｎp）／（４０・Ｌ1・Ｎp）
の条件を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
上記内側の電機子のティースと磁性リングとは一体化されていることを特徴とする請求項５記載の回転電機。
スロット数をＮs、電機子の数をＮ、極数をＮpとすると、Ｎs＜Ｎ・Ｎp／２の関係が成立するように設定されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
上記電機子を相対的に回動する際のトルク反力を小さくする場合には、最内方側の電機子を固定し、他の電機子を回動可能に設けることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
上記複数の電機子の内、径方向外方側に位置する電機子ほど電機子巻線の巻数が多くなるように設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
各電機子の巻線は集中巻きされていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の回転電機。