JP2007060749A - 誘導子型発電・駆動両用モータおよびそれを備えた自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】発電と駆動の両方を可能とし且つコイルへの給電構造等を簡素化する。
【解決手段】外部駆動源により回転される発電軸１６と、外部電力により駆動される駆動軸１７とが同一軸線上に配置され、発電軸１６と駆動軸１７の間に共有の界磁側固定子１３が配置される一方、発電軸１６と駆動軸１７に電機子コイル１９、２０、３３、３４を有する電機子側固定子１１、１５が配置される共に、電機子側固定子１１、１５と界磁側固定子１３の間に誘導子２２、２３、３０、３１を備えた回転子１２、１４が発電軸１６、駆動軸１７に固定され、界磁側固定子１３には軸線回りの内外周とで互いに逆極性となる同心円状の磁極が軸線方向の両側に励磁される界磁コイル２６が取り付けられ、発電用回転子１２と駆動用回転子１４には、界磁コイル２６の内外周の磁束を発電用の電機子コイル１９側に誘導する誘導子２２、２３、３０、３１を配置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導子型発電・駆動両用モータおよび該モータを備えた自動車に関し、詳しくは、１台のモータで発電と駆動の両方を行えるようにするものである。

近年、ガソリン等の化石燃料の枯渇や排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気エネルギーによりモータを駆動して走行する電気自動車やハイブリッド自動車の開発が進められている。例えば、ハイブリッド自動車１では、図１３に示すように、エンジン２の動力から発電を行う発電用モータ３と、ディファレンシャルギア５を介して車輪を駆動する駆動用モータ４とを別々に設置しており、夫々を合わせた重量、体積、コストが大きくなる問題がある。

また、特開平５−２７６７３４号公報等に開示されているようにモータを超電導化した場合には、発電用モータ３と駆動用モータ４の複数モータ分の超電導コイルが必要となるため、高価な超電導線材の使用量が増大してコストアップとなる問題もある。また、超電導モータが複数に分散配置されると、超電導コイルを極低温に冷却するための冷却配管が複雑になると共に、冷却を維持するための断熱空間も大きく必要となる。かつ、磁場漏れ対策のシールド部材も夫々のモータで個別に必要となり、モータの大型化およびコスト増を招くこととなる。

一方、特開昭５４−１１６６１０号公報（特許文献１）や特開平６−８６５１７号公報（特許文献２）等に開示された発電機では、図１４に示すように、回転軸１０１が外筒となるブラケット１０２にベアリング１０３を介して貫通し、回転軸１０１に外嵌固定された継鉄１０４の外周に界磁巻線１０５を設けていると共に、界磁巻線１０５の左右から交互に突出する爪形磁極１０６、１０７を設け、全体として回転子を形成している。一方、ブラケット１０２には、爪形磁極１０６、１０７に対向して固定子巻線１０８を設けている。また、界磁巻線１０５への電力供給は、スリップリング１０９を介して摺動自在に給電する構成としている。スリップリング１０９を介して界磁巻線１０５に直流を供給することで界磁巻線１０５の図中右側にＮ極が発生し且つ図中左側にＳ極が発生する場合を考えると、右側から突出する爪形磁極１０６にＮ極が誘導され、左側から突出する爪形磁極１０７にＳ極が誘導される。即ち、回転軸１０１を中心として巻回された界磁巻線１０５を１つ設けるだけで、回転子の外周側に複数のＮ極およびＳ極を周方向の交互に発生させることが可能となる。

しかしながら、界磁巻線５は回転子の一部として形成されており、回転運動を行う界磁巻線５への給電はスリップリング９を介して摺動接触にて行わねばならず、構造が複雑化すると共に、スリップリング９での接触摩耗による低寿命化の問題や、スリップリング９での摺動接触が不安定化すると給電も安定しないという問題がある。界磁巻線５を超電導化した場合を考えると、回転する界磁巻線５を冷却する必要が生じ、冷却構造が複雑化する問題が生じる。

特開平５−２７６７３４号公報 特開昭５４−１１６６１０号公報 特開平６−８６５１７号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、発電と駆動の両方が必要な場合に全体としてモータを小型化すると共に、コイルへの給電構造等を簡単にすることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は第１に、外部駆動源により回転駆動される発電軸と、該発電軸と同一軸線上に配置される駆動軸を備え、これら発電軸と駆動軸の間に共有して用いられる界磁側固定子が配置される一方、前記発電軸と駆動軸に夫々電機子コイルを備えた電機子側固定子が配置される共に、これら電機子側固定子と前記界磁側固定子の間にそれぞれ誘導子を備えた回転子が前記発電軸、駆動軸に固定され、
前記界磁側固定子には、軸線回りの内周側と外周側とで互いに逆極性となる同心円状の磁極が軸線方向の両側に励磁される界磁体が取り付けられる一方、
前記発電用、駆動用の各回転子には、一端面が前記界磁体の外周側に対向すると共に他端面が前記発電用、駆動用の各電機子側固定子の電機子コイルに対向する磁性体からなる第１誘導子と、一端面が前記界磁体の内周側に対向すると共に他端面が前記発電用、駆動用の各電機子側固定子の電機子コイルに対向する磁性体からなる第２誘導子とが周方向に交互に配置され、
前記発電用の電機子コイルに電力出力線が接続され、発電軸側では回転駆動力が入力されて発電された電力が出力される一方、前記駆動用の電機子コイルには電力入力線が接続され、駆動軸側では電力が入力されて回転駆動力として出力される構成とされている誘導子型発電・駆動両用モータを提供している。

前記構成とすると、界磁側では円環状の内周側と外周側とに逆極性が同心円上に励磁されるため、各回転子が回転しても、第１誘導子の一端面は界磁側固定子の例えばＮ極発生地点の円周上を移動すると共に、第２誘導子の一端面は界磁側固定子の例えばＳ極発生地点の円周上を移動し、第１誘導子と第２誘導子の他端面には互いに逆極性の一定磁極が誘導される。そこで、外部動力を伝達して発電軸を回転させれば、発電用回転子の各誘導子が発電用電機子側固定子の電機子コイルの近傍を周期的に横切って磁場変動が生じ、電磁誘導により該電機子コイルに電力が生成される。一方、駆動用電機子側固定子の電機子コイルの極性を周期的に変化させるように電力入力線より給電することで、駆動用回転子の各誘導子と該電機子コイルとの間で吸引／反発力が発生して駆動用回転子が回転し、駆動軸より駆動力が出力される。

したがって、１台のモータで発電と駆動の両方を行うことができ、発電用と駆動用とに別々のモータを用意せずに済むため、全体としてモータを小型化することができる。さらに、界磁体と電機子コイルとの両方が固定子に取り付けられるので、コイルへの給電にスリップリング等の摺接部材を用いる必要がなくなり、構造を簡素化できると共に、スリップリング等での接触摩耗による低寿命化の問題や給電不安定の問題も解消することが可能となる。また、一対の回転子を回転駆動させるための界磁側固定子を１つで共用化しているので、部品点数の削減および小型化を図ることができる。

具体的には、前記界磁体は軸線回りの円環状に導体線が巻回された界磁コイルとしていると好ましい。該構成とすると、界磁コイルに通電した場合に、界磁コイルの外周側あるいは内周側のいずれか一方にＮ極が発生し、いずれか他方にＳ極が発生することになり、Ｎ極とＳ極とを同心円上に発生させることが可能となる。よって、１つの界磁コイルだけで第１誘導子および第２誘導子により複数極の界磁を発生させることができ、コイル巻回作業が簡素化でき製造効率が向上する。さらに、第１誘導子および第２誘導子の一端面は界磁コイルに沿った円弧状としていると好ましい。

本発明は第２に、外部駆動源により回転駆動される発電軸と、該発電軸と同一軸線上に配置される駆動軸を備え、これら発電軸と駆動軸の間に共有して用いられる界磁側固定子が配置される一方、前記発電軸と駆動軸に夫々電機子コイルを備えた電機子側固定子が配置される共に、これら電機子側固定子と前記界磁側固定子の間にそれぞれ誘導子を備えた回転子が前記発電軸、駆動軸に固定され、
前記界磁側固定子には、軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が軸線方向の両側に励磁される複数の界磁体が取り付けられる一方、前記電機子側固定子には、軸線回りの円環状に導体線が巻回された電機子コイルが取り付けられ、
前記発電用、駆動用の各回転子には、一端面が前記発電用、駆動用の電機子コイルの外周側に対向すると共に他端面が前記界磁体に対向する磁性体からなる第１誘導子と、一端面が前記発電用、駆動用の電機子コイルの内周側に対向すると共に他端面が前記界磁体に対向する磁性体からなる第２誘導子とが周方向に交互に配置され、
前記発電用の電機子コイルに電力出力線が接続され、発電軸側では回転駆動力が入力されて発電された電力が出力される一方、前記駆動用の電機子コイルには電力入力線が接続され、駆動軸側では電力が入力されて回転駆動力として出力される構成とされている誘導子型発電・駆動両用モータを提供している。

前記構成とすると、回転子が回転しても第１誘導子の他端面は電機子コイルの外周に沿って移動するので電機子コイルへの通電方向に応じて所定の極性が誘導される。一方、第２誘導子の他端面は電機子コイルの内周に沿って移動するので、第１誘導子とは逆の極性が誘導される。そこで、駆動用電機子側固定子の電機子コイルの極性を周期的に変化させるように電力入力線より給電することで、駆動用回転子の各誘導子と該界磁体との間で吸引／反発力が発生して駆動用回転子が回転し、駆動軸より駆動力が出力される。一方、外部動力を伝達して発電軸を回転させれば、界磁体から発電用回転子の各誘導子に誘導された磁束が発電用電機子側固定子の電機子コイルの内外周に周期的な磁場変動を生じさせるため、電磁誘導により該電機子コイルに電力が生成される。
したがって、前記第１の発明と同様に、１台のモータで発電と駆動の両方を行うことができ全体として小型化できると共に、界磁体と電機子コイルとの両方が固定子に取り付けられるのでコイル給電にスリップリング等の摺接部材を用いる必要がなくなり構造を簡単にできる。

前記電機子側固定子、第１、第２誘導子を備えた回転子を組み付けている発電軸と駆動軸とを、その間に界磁側固定子を挟んで同一軸線上に並列配置したアキシャルギャップ型とし、両側の駆動軸に挟まれた発電軸には、電機子側固定子を挟んで両側に回転子を固定し、前記電機子側固定子の電機子コイルの両側端面を両側の回転子の第１、第２誘導子と対向させた構成としてもよい。
該構成とすると、発電軸の両側に駆動軸を配置しているので、左右の両側から回転動力を取り出すことが可能となる。また、界磁体からの磁束は界磁側固定子の両側に発生するが、界磁側固定子の両側に回転子と電機子側固定子を挟設配置するアキシャルギャップ構造としているので、界磁をトルク発生に有効利用することができる。

前記発電軸を中央に挟んで左右両側に駆動軸を配置し、該左右の駆動軸を独立に回転駆動させると共にそれぞれ独立して回転数制御を行える構成としてもよい。
該構成とすると、両側の駆動軸を互いに独立回転するように設けているので、各駆動用電機子側固定子の電機子コイルへの通電を夫々相違させて各駆動用回転子の回転数を相違させることで、各駆動軸の回転数を夫々異ならせることが可能となる。

前記界磁体は、超電導線材を巻回した界磁コイルとしていると好ましい。
即ち、界磁体を超電導化することで、磁場の強化が図られてモータトルクを大幅にアップすることができる。また、前述のように本発明のモータは発電用と駆動用とで１つの界磁側固定子を共用しているので、界磁コイルの超電導線材の使用量が低減されコストダウンが図られる。また、超電導線材からなる界磁コイルを極低温に冷却する配管等も共用化された１つの界磁側固定子に向けて配管すれば足りるため、冷却構造も簡素化される。さらに、界磁の磁場漏れ対策を行う場合でも、１つの界磁のみを対策すれば足りるため、小型化および低コスト化できる。なお、超電導線材としてはビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材を用いると好適である。ただし、界磁体として超電導バルク磁石を用いてもよい。

前記電機子コイルは超電導線材を巻回して形成していると好ましい。
即ち、電機子コイルも超電導化することで大電流を流すことが可能となり、電機子コイルの巻数を大幅に低減することができる。また、所要の超電導性能を発揮させるため超電導線材を冷却する構造を設ける場合を考えても、前述したように、界磁体と電機子コイルとの両方が固定子に取り付けられて動かないので、冷媒供給路やシール構造等の設計が簡単になり冷却構造を簡単にできる。

前記界磁コイルあるいは／および前記電機子コイルの中空部に圧粉磁性体からなる磁心を配置していると好ましい。
該構成とすると、圧粉磁性体は金型による形成が容易であり、加工性に優れると共に、磁気特性が等方的となる利点がある。また、圧粉磁性体は、磁性粉末を絶縁樹脂で結合し、あるいは、被膜で覆った磁性粉末を絶縁樹脂で結合した構成とすることで、個々の磁性粉末の間が樹脂で絶縁され、一般の軟磁性材料よりも渦電流損失が低減されて磁気特性に優れる磁心が得られ、コイルの磁束を強化することができる。

また、前記第１誘導子および前記第２誘導子も圧粉磁性体で形成されていると、複雑な三次元形状の誘導子も容易に成形することができ好適である。

本発明は第３に、前記誘導子型発電・駆動両用モータを搭載した自動車であって、
前記発電軸にはエンジンからの回転動力を伝達する一方、前記駆動軸の回転動力を車輪に伝達していることを特徴とする自動車を提供している。

前記構成とすると、発電機と駆動モータを個別に設けることなく１台のモータで発電と駆動の両方を行えるので、車載部品としてのモータを全体として小型化・軽量化することができ、自動車の小型化および燃費向上に貢献する。

本発明は第４に、前記左右の駆動軸を独立回転させる誘導子型発電・駆動両用モータを搭載した自動車であって、
前記発電軸にはエンジンからの回転動力を伝達する一方、前記２つの駆動軸をそれぞれ左右の車輪に回転動力を伝達して、両輪駆動構成としていることを特徴とする自動車を提供している。

前記構成とすると、１台のモータで２つの駆動出力軸の回転速度を独立して制御することが可能なため、左右の車輪に異なる回転数を与えることができる。したがって、２台のモータで２つの車輪を駆動するよりも全体としてモータの小型化が図れると共に、従来のようなディファレンシャルギア等を介設する必要がなくなり、動力伝達ロスを低減することが可能となる。また、ディファレンシャルギア等を廃止できることで、自動車の小型軽量化にも貢献する。

以上の説明より明らかなように、第１、第２の発明によれば、界磁体と電機子コイルとの双方がそれぞれ固定子に取り付けられるので、コイルへの給電にスリップリング等の摺接部材が不要となり、構造の簡素化、長寿命化、給電安定化を図ることができる。さらに、１台のモータで発電と駆動力生成の両方を行うことができるため、発電用と駆動用とに別々のモータを用意せずに済み、全体としてモータを小型化できる。
また、第３、第４の発明によれば、ディファレンシャルギア等による動力伝達ロスを無くしつつ、１台のモータで左右の車輪に異なる回転数を与えることができると共に、車載モータ数の低減および自動車の小型軽量化することもできる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態の誘導子型発電・駆動両用モータ１０を示す。
誘導子型発電・駆動両用モータ１０はアキシャルギャップ構造であり、発電用電機子側固定子１１、発電用回転子１２、界磁側固定子１３、駆動用回転子１４、駆動用電機子側固定子１５の順番に並設している。発電用回転子１２には発電軸１６を固定しており、駆動用回転子１４には駆動軸１７を固定している。発電軸１６および駆動軸１７は、発電用電機子側固定子１１、界磁側固定子１３および駆動用電機子側固定子１５に対して回転自在としている。発電用電機子側固定子１１、界磁側固定子１３および駆動用電機子側固定子１５はケーシング等の設置面Ｇに固定している。

界磁側固定子１３は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク２４と、ヨーク２４の軸線回りに埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器２５と、断熱冷媒容器２５に収容された超電導線材からなる軸線回りの界磁コイル２６とを備えている。
ヨーク２４は、中心穴２４ｂに第１駆動軸１６の先端を回転自在に支持する第１軸受部２７と第２駆動軸１７の先端を回転自在に支持する第２軸受部２８とを左右に内蔵していると共に、軸受部２７、２８を中心として円環状に凹設された取付穴２４ａを形成している。断熱冷媒容器２５には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル２６を収容しており、その断熱冷媒容器２５を取付穴２４ａに埋設している。即ち、界磁コイル２６の中空部には磁性体からなる磁心が配置されている。また、界磁コイル２６を形成する超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材を用いている。

ヨーク２４は、磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜（燐酸化合物被膜等）で覆った磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。圧粉磁性体の結合用樹脂としては、ポリフェニレンサルファイドや可溶性ポリイミド等の樹脂が好適に用いられる。しかしながら、ヨーク２４はＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成してもよい。

発電用回転子１２と駆動用回転子１４は左右対称であり、図２（Ａ）〜（Ｄ）は一方の発電用回転子１２を代表して図示している。
発電用回転子１２は、円盤形状で非磁性材料からなり発電軸１６の固定用の中心軸穴２１ａを有する支持部２１と、中心軸穴２１ａを中心として点対称位置に埋設された一対のＮ極誘導子２２（第１誘導子）と、Ｎ極誘導子２２から９０°回転した位置に埋設された一対のＳ極誘導子２３（第２誘導子）とを備えている。Ｎ極誘導子２２およびＳ極誘導子２３は、発電用電機子側固定子１１と対向する扇形状の他端面２２ａ、２３ａをそれぞれ同一円上の等間隔に配置すると共に互いに同一面積としている。

Ｎ極誘導子２２の一端面２２ｂは、界磁コイル２６のＮ極発生位置に対向するように配置され、例えばＮ極誘導子２２の一端面２２ｂは、図５（Ｂ）に示すように、界磁コイル２６の外周側に対向配置される円弧状としている。
Ｓ極誘導子２３の一端面２３ｂは、界磁コイル２６のＳ極発生位置に対向するように配置され、例えばＳ極誘導子２３の一端面２３ｂは、図５（Ｃ）に示すように、界磁コイル２６の内周側に対向配置される円弧状としている。

即ち、Ｎ極誘導子２２およびＳ極誘導子２３は、円弧状の一端面２２ｂ、２３ｂから軸線方向に向けて断面形状を変化させることで他端面２２ａ、２３ａでは扇形状となる立体形状としている。また、Ｎ極誘導子２２およびＳ極誘導子２３の断面積は、一端面２２ｂ、２３ｂから他端面２２ａ、２３ａまで一定としている。また、Ｎ極誘導子２２の一端面２２ｂは、Ｓ極誘導子２３の一端面２３ｂと同一面積としている。なお、支持部２１は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。また、各誘導子２２、２３は、磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜（燐酸化合物被膜等）で覆った磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。なお、駆動用回転子１４についても、発電軸１６の変わりに駆動軸１７を固定する点以外は同様の構成としている。

発電用電機子側固定子１１と駆動用電機子側固定子１５とは左右対称であり、図４では一方の発電用電機子側固定子１１について代表して図示している。
発電用電機子側固定子１１は、図１（Ａ）（Ｂ）および図４に示すように、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク１８と、ヨーク１８に埋設された銅巻線である電機子コイル１９、２０とを備えている。ヨーク１８は、中央に発電軸１６の外径より大きく穿設された遊嵌穴１８ｂと、遊嵌穴１８ｂを中心として周方向に等間隔に穿設された円環状の４つの取付溝１８ａとを備え、取付溝１８ａは内側対向面から凹設されて外側面には貫通していない。取付溝１８ａには電機子コイル１９、２０を収容していると共に電機子コイル１９、２０の中空部には磁性体からなる磁心１８ｃを配置している。
ヨーク１８は、磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜（燐酸化合物被膜等）で覆った磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。なお、駆動用電機子側固定子１５についても同様の構成としている。

界磁コイル２６には直流を供給する電力入力線３５を接続している。駆動用電機子側固定子１５の電機子コイル３３、３４には交流を供給する電力入力線３８を接続している。発電用電機子側固定子１１の電機子コイル１９、２０には生成された電力を取り出す電力出力線３７を接続している。また、断熱冷媒容器２５には液体窒素からなる冷媒を循環供給するための断熱された冷却配管３６を接続している。

次に、誘導子型発電・駆動両用モータ１０の動作について説明する。
まず、発電原理について説明する。界磁コイル２６に直流を給電すると、界磁コイル２６の軸線方向左側において外周側にＮ極が発生すると共に内周側にＳ極が発生する。すると、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｎ極側の磁束が発電用回転子１２のＮ極誘導子２７内に一端面２２ｂより導入され、他端面２２ａにＮ極磁束が現れる。また、図５（Ａ）（Ｃ）に示すように、Ｓ極側の磁束は発電用回転子１２のＳ極誘導子２３内に一端面２３ｂより導入され、他端面２３ａにＳ極磁束が現れる。ここで、各誘導子２２、２３の一端面２２ｂ、２３ｂは界磁コイル２６の内外周に沿った同心円上に配置されているので、発電用回転子１２が回転してもＮ極誘導子２２の他端面２２ａには常にＮ極が現れ、Ｓ極誘導子２３の他端面２３ａには常にＳ極が現れることとなる。
この状態から、外部動力により発電軸１６を回転させると、発電用回転子１２のＮ極誘導子２２およびＳ極誘導子２３が発電用電機子側固定子１１の電機子コイル１９、２０の近傍を周方向に周期的に横切って磁場変動が生じる。その際の電磁誘導により電機子コイル１９、２０に電力が生成され、電力出力線３７より電力が取り出される。

次いで、駆動原理について説明する。界磁コイル２６に直流を給電することで、界磁コイル２６の軸線方向右側において外周側にＳ極が発生すると共に内周側にＮ極が発生する。すると、前記同様に、駆動用回転子１４のＳ極誘導子３０の他端面２２ａにＳ極磁束が現れると共に、Ｎ極誘導子３１の他端面２３ａにＮ極磁束が現れる。この状態から、駆動用電機子側固定子１５の電機子コイル３３、３４の極性を周期的に変化させるように電力入力線３８より給電することで、駆動用回転子１４の各誘導子３０、３１と電機子コイル３３、３４との間で吸引／反発力が発生して駆動用回転子１４が回転し、駆動軸１７より駆動力が出力される。

以上の構成とすると、界磁コイル２６が固定された界磁側固定子１３と、電機子コイル１９、２０、３３、３４が固定された電機子側固定子１１、１５とは回転せず、各誘導子２２、２３、３０、３１が固定された回転子１２、１４が回転するので、各コイル１９、２０、２６、３３、３４への給電にスリップリング等の摺接部材が不要となり、給電構造の簡素化および給電安定化を図ることができると共にモータの長寿命化にも貢献する。また、液体窒素の供給対象である断熱冷媒容器２５も固定されて回転しないので、冷媒供給路やシール構造等の設計が容易となり冷却構造を簡素化できる。さらに、１台のモータ１０で発電と駆動の両方を行うことができ、発電用と駆動用とに別々のモータを用意せずに済むため、全体としてモータを小型化することができる。

また、界磁側固定子１３の両側に回転子１２、１４および電機子側固定子１１、１５を配置することで、超電導線材からなる界磁コイル２６で発生する強力な左右の磁極の両方をトルク発生に有効利用することができる。即ち、界磁コイル２６の有効利用を図ることで、高価な超電導材の使用量を抑えることができ低コスト化できる。なお、超電導の界磁コイル２６の代わりに公知の超電導界磁バルクや永久磁石を用いてもよい。

次に、誘導子型発電・駆動両用モータ１０を搭載した自動車Ｃ１について説明する。
自動車Ｃ１（ハイブリッド自動車）は、図６に示すように、バッテリー４０と、バッテリー４０からの直流電流を所定電圧の交流に変換して駆動用電機子側固定子１５の電機子コイル３３、３４の電力入力線３８に給電する第１インバータ４１と、発電軸１６に回転動力を伝達するエンジン４２と、発電用電機子側固定子１１の電機子コイル１９、２０の電力出力線３７からの交流電流を直流に変換してバッテリー４０に蓄電する第２インバータ４３とを備えている。モータ１０の駆動軸１７はディファレンシャルギア５を介して各車輪に連繋接続している。また、第２インバータ４３からの出力電流をバッテリー４０を介さずに第１インバータ４２に入力する分岐通電経路４４も有している。なお、界磁側固定子１３の界磁コイル１６には図示しない配線でバッテリー４０より直流電流を給電している。
以上の構成とすると、発電機と駆動モータを個別に設けることなく１台のモータ１０で発電と駆動の両方を行えるので、車載部品としてのモータ１０を全体として小型化・軽量化することができ、自動車Ｃ１の小型化および燃費向上に貢献する。

図７は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、発電用電機子側固定子１１’と駆動用電機子側固定子１５’の電機子コイル４７、４９を超電導線材で形成している点である。

発電用電機子側固定子１１’および駆動用電機子側固定子１５’は、ヨーク１８、３２のコイル取付穴１８ａ、３２ａを設け、これらコイル取付穴１８ａ、３２ａに円環状で真空断熱構造の断熱冷媒容器４６、４８を埋設し、断熱冷媒容器４６、４８に超電導線材からなる巻線である電機子コイル４７、４９を収容している。また、各断熱冷媒容器４６、４８には液体窒素を冷媒として供給する冷却配管３６を接続している。
以上の構成とすると、電機子コイル４７、４９も超電導化して大電流を通電可能としているため、巻数を大幅低減することができる。また、電機子コイル４７、４９は固定子１１’、１５’に取り付けられて動かないので、冷却配管３６やシール構造等の設計が簡単になり冷却構造を簡素化できる。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。

図８は第３実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、発電用回転子５３、駆動用回転子５４および界磁側固定子５５、５６を両側に追加して多段化している点である。

発電用回転子１２、界磁側固定子１３および駆動用回転子１４は第１実施形態と同構造であるため説明を省略する。
発電用電機子側固定子５１と駆動用電機子側固定子５２は互いに対称形状であり、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク５７、６１と、ヨーク５７、６１の周方向に等間隔に複数埋設された電機子コイル５８、６２とを備えている。ヨーク５７、６１は、中央に発電軸１６および駆動軸１７の外径より大きく穿設された遊嵌穴５７ａ、６１ａと、遊嵌穴５７ａ、６１ａを中心として周方向に等間隔に穿設された４つの取付穴５７ｂ、６１ｂとを備えている。取付穴５７ｂ、６１ｂにそれぞれ電機子コイル５８、６２を埋設していると共に、電機子コイル５８、６２の中空部には磁性体からなる磁心６０、６３を配置している。

発電用電機子側固定子５１および駆動用電機子側固定子５２の両側に追加された発電用回転子５３と駆動用回転子５４は、第１実施形態の回転子１２、１４と同構造であり、左側の発電用回転子５３は回転子１４と同じ向きで発電軸１６に外嵌固定している一方、右側の駆動用回転子５４は回転子１２と同じ向きで駆動軸１７に外嵌固定している。

発電用回転子５３および駆動用回転子５４の両側に追加された界磁側固定子５５、５６は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク６８、７１と、ヨーク６８、７１に埋設された円環状で真空断熱構造の断熱冷媒容器７０、７３と、断熱冷媒容器７０、７３に収容された超電導線材からなる巻線である界磁コイル６９、７２とを備えている。ヨーク６８、７１は、中央に発電軸１６および駆動軸１７の外径より大きく穿設された遊嵌穴６８ａ、７１ａと、遊嵌穴６８ａ、７１ａを中心として円環状に穿設された取付溝６８ｂ、７１ｂとを備えている。即ち、取付溝６８ｂ、７１ｂは内側対向面から凹設されて外側面には貫通していない。円環状の断熱冷媒容器７０、７３には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル６９、７２を収容しており、その断熱冷媒容器７０、７３を取付溝６８ｂ、７１ｂに埋設している。

界磁コイル２６、７０、７２には電力入力線３５を介して直流を供給しており、駆動用電機子側固定子５２の電機子コイル６２には交流を供給している。発電用電機子側固定子５１の電機子コイル５８には生成された電力を取り出す電力出力線３７を接続している。また、断熱冷媒容器２５、７０、７３には断熱された冷却配管３６から液体窒素を冷媒として循環させている。
以上の構成のようにモータを多段化すれば、第１実施形態に比べて界磁が強化されて出力トルクの増大を図ることができる。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。

図９は第４実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、界磁側固定子７６は４つの界磁コイル８１を周方向に等間隔に配置していると共に、発電用電機子側固定子７５および駆動用電機子側固定子７７は、夫々１つの電機子コイル７９、８４を軸線回りの円環状に巻回して配置している点である。

界磁側固定子７６は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク８０と、ヨーク８０に周方向に等間隔をあけて４つ埋設された真空断熱構造で円環状の断熱冷媒容器８１と、断熱冷媒容器８１に収容された超電導線材からなる巻線である界磁コイル８２とを備えている。ヨーク０は、中心穴に発電軸１６を回転自在に支持する第１軸受部２７と、駆動軸１７を回転自在に支持する第２軸受部２８とを左右に内蔵していると共に、外周側の周方向には等間隔に穿設された４つの取付穴８０ａとを備えている。断熱冷媒容器８１には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル８２を収容していると共に、界磁コイル８２および断熱冷媒容器８１の中空部には磁性体からなる磁心８０ｂを配置している。内部に界磁コイル８２を収容した４つの断熱冷媒容器８１を各取付穴８０ａにそれぞれ埋設している。

発電用電機子側固定子７５と駆動用電機子側固定子７７とは左右対称であり、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク７８、８３と、軸線回りの円環状に巻回されてヨーク７８、８３に埋設された夫々１つずつの電機子コイル７９、８４とを備えている。ヨーク７９、８４は、中央に発電軸１６および駆動軸１７の外径より大きく穿設された遊嵌穴７８ｂ、８３ｂと、遊嵌穴７８ｂ、８３ｂを中心として内側対向面より円環状に凹設された溝部７８ａ、８３ａとを備え、溝部７８ａ、８３ａ内に電機子コイル７９、８４を埋設している。

界磁コイル８２には直流を供給する電力入力線３５を接続している。駆動用電機子側固定子７７の電機子コイル８４には交流を供給する電力入力線３８を接続している。発電用電機子側固定子７５の電機子コイル７９には生成された電力を取り出す電力出力線３７を接続している。また、断熱冷媒容器８１には液体窒素からなる冷媒を循環供給するための断熱された冷却配管３６を接続している。
４つの界磁コイル８２には直流を供給して周方向に交互にＮ極とＳ極が定常的に発生させている。また、駆動側の電機子コイル８４には単相交流を供給して励磁方向を周期的に切替している。なお、各回転子１２、１４の構造は第１実施形態と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。

以上の構成とすると、駆動側の電機子コイル８４に単相交流を給電すれば、あるタイミングではコイル外周にＳ極が発生すると共にコイル内周にＮ極が発生する。すると、Ｎ極側の磁束が誘導子２２内に導入されると共にＳ極側の磁束が別の誘導子２３に導入される。したがって、電機子コイル８４の極性を周期的に変化させることで、各界磁コイル８２と各誘導子２２、２３との間で吸引／反発力が発生して回転子１２が回転し、駆動軸１７が回転する。一方、発電軸１６を外部動力で回転させることで、各界磁コイル８２から回転子１４の各誘導子３０に導入された磁束が、発電用電機子側固定子７５の電機子コイル７９の内外周に周期的な磁場変動を生じさせ、電磁誘導により該電機子コイル７９に電力が励起される。

図１０は第５実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、３つの電機子の間に２つの界磁を配置し、中央に発電軸１６を配置する一方、両側に一対の駆動軸１７、９３を配置している点である。

本実施形態の誘導子型発電・駆動両用モータ８５は、２つの界磁用固定子１３の間に発電用電機子側固定子８６を配置すると共に、各界磁用固定子１３の両側に駆動用電機子側固定子１１、１５を配置しており、夫々の固定子１１、１３、１５、８６の間に回転子１２、１４を配置している。即ち、左右両側の回転子１２、１４を駆動用回転子とし、中央の一対の回転子１２、１４を発電用回転子１２、１４として用いている。

中央の発電用電機子側固定子８６は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク８７と、ヨーク８７の周方向に等間隔に複数埋設された電機子コイル８８とを備えている。ヨーク８７には中央に発電軸１６を回転自在に支持する軸受部８９を設け、軸受部８９を中心として周方向に等間隔に円環状の４つの取付穴８７ａを穿設している。取付穴８７ａにそれぞれ電機子コイル８８を埋設し、該電機子コイル８８の中空部に磁性体からなる磁心８７ｂを配置している。第１発電軸１６は両側の発電用回転子１２、１４の中心に固定していると共に第１ギア９０を外嵌固定している。第１ギア９０には、第１発電軸１６に平行して外部配置された第２発電軸９２に外嵌固定している第２ギア９１を噛み合わせている。

右側の駆動用回転子１４には駆動軸１７を固定している一方、左側の駆動用回転子１２には第２の駆動軸９３を固定している。また、一対の界磁用固定子１３の界磁コイル２６には直流を供給する電力入力線（図示せず）を接続していると共に、断熱冷媒容器２５に液体窒素等の冷媒を供給する冷却配管（図示せず）を接続している。駆動用電機子側固定子１１、１５の電機子コイル１９、３３にはそれぞれ交流を供給する電力入力線（図示せず）を別々に接続している。発電用電機子側固定子８６の電機子コイル８８には電力出力線を接続している。

以上の構成とすると、第２発電軸９２を外部動力により回転させることで第２ギア９１、第１ギア９０および第１発電軸１６を介して中央側の発電用回転子１２、１４が回転し、電磁誘導により発電用電機子側固定子８６の電機子コイル８８で電力が励起され、その発電された電力が電力出力線より出力される。一方、駆動用電機子側固定子１１、１５の各電機子コイル１９、３３には電力入力線より所定のタイミングで交流を供給することで、磁気的反発力で両側の駆動用回転子１２、１４が回転し、駆動軸１７、９３より回転動力が出力される。この際、左側の駆動用電機子側固定子１１の電機子コイル１９と、右側の駆動用電機子側固定子１５の電機子コイル３３とに異なった電流をそれぞれ給電することにより、左右の駆動軸１７、９３の回転数を相違させることが可能となる。

次に、誘導子型発電・駆動両用モータ８５を搭載した自動車Ｃ２について説明する。
自動車Ｃ２（ハイブリッド自動車）は、図１１に示すように、バッテリー４０と、バッテリー４０からの直流電流を所定電圧の交流に変換して駆動用電機子側固定子１１、１５の電機子コイル１９、３３に給電するインバータ４１、９５と、第２ギア９１を回転させて第１発電軸１６に回転動力を伝達するエンジン４２と、発電用電機子側固定子８６の電機子コイル８８で発生する交流電流を直流に変換してバッテリー４０に蓄電するインバータ４３とを備えている。一方の駆動軸１７は右車輪にダイレクト接続していると共に、他方の駆動軸９３は左車輪にダイレクト接続している。また、インバータ４３からの出力電流をバッテリー４０を介さずにインバータ４１、９５に入力する分岐通電経路も有している。なお、各界磁側固定子１３の界磁コイル２６には図示しない配線でバッテリー４０より直流電流を給電している。

以上の構成とすると、モータ８５と車輪との間に従来のようなディファレンシャルギア等を介設する必要がなくなり、動力伝達ロスを低減できる。また、ディファレンシャルギア等を廃止できることで、自動車Ｃ２が小型軽量化されると共に車載スペースに余裕をもたせることができる。さらに、従来のインホイールモータに比べて、車載するモータ数を半減することが可能となる。

図１２は第６実施形態を示す。
第５実施形態との相違点は、第４実施形態のように電機子コイル７９、８４、９７を軸線回りの円環状に巻回して配置している点である。

本実施形態は、２つの界磁用固定子７６に発電用電機子側固定子９５を配置すると共に、各界磁用固定子７６の両側に駆動用電機子側固定子７５、７７を配置しており、夫々の固定子７５、７６、７７、９５の間に回転子１２、１４を配置している。即ち、左右両側の回転子１２、１４を駆動用回転子とし、中央の一対の回転子１２、１４を発電用回転子１２、１４としている点は第５実施形態と同様である。

界磁用固定子７６は、第４実施形態と同様で、断熱冷媒容器８１に収容した超電導線材からなる界磁コイル８２を周方向に等間隔をあけて４つ配置している。発電用電機子側固定子９５および駆動用電機子側固定子７５、７７は、軸線回りの円環状に導体線を巻回して１つのそれぞれ１つの電機子コイル７９、８４を配置している。中央の発電用回転子１２、１４の中心には第１発電軸１６を固定していると共に、第１発電軸１６の端部に第１ギア９０を固定している。第１ギア９０には、第１発電軸１６に平行して外部配置された第２発電軸９２に外嵌固定している第２ギア９１を噛み合わせている。

右側の駆動用回転子１２には駆動軸１７を固定している一方、左側の駆動用回転子１４には第２の駆動軸９３を固定している。また、一対の界磁用固定子７６の界磁コイル８２には直流を供給する電力入力線（図示せず）を接続していると共に、断熱冷媒容器８１に液体窒素等の冷媒を供給する冷却配管（図示せず）を接続している。駆動用電機子側固定子７５、７７の電機子コイル７９、８４にはそれぞれ交流を供給する電力入力線（図示せず）を別々に接続している。発電用電機子側固定子９５の電機子コイル９７には電力出力線を接続している。なお、他の構成は第５実施形態と同様であるため説明を省略する。

（Ａ）は本発明の第１実施形態の誘導子型発電・駆動両用モータの断面図、（Ｂ）は９０°回転させた位置における断面図である。 （Ａ）は回転子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 （Ａ）は界磁側固定子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。 電機子側固定子の正面図である。 （Ａ）は回転子および界磁側固定子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 誘導子型発電・駆動両用モータが搭載された自動車の概略図である。 第２実施形態の誘導子型発電・駆動両用モータの断面図である。 第３実施形態の誘導子型発電・駆動両用モータの断面図である。 第４実施形態の誘導子型発電・駆動両用モータの断面図である。 第５実施形態の誘導子型発電・駆動両用モータの断面図である。 誘導子型発電・駆動両用モータが搭載された自動車の概略図である。 第６実施形態の誘導子型発電・駆動両用モータの断面図である。 従来例の自動車の概略図である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 誘導子型発電・駆動両用モータ
１１ 発電用電機子側固定子
１２ 発電用回転子
１３ 界磁側固定子
１４ 駆動用回転子
１５ 駆動用電機子側固定子
１６ 発電軸
１７ 駆動軸
１９、２０、３３、３４ 電機子コイル
２２、３１ Ｎ極誘導子（第１誘導子）
２３、３０ Ｓ極誘導子（第２誘導子）
２５ 断熱冷媒容器
２６ 界磁コイル
３５、３８ 電力入力線
３７ 電力出力線

Claims (10)

1. 外部駆動源により回転駆動される発電軸と、該発電軸と同一軸線上に配置される駆動軸を備え、これら発電軸と駆動軸の間に共有して用いられる界磁側固定子が配置される一方、前記発電軸と駆動軸に夫々電機子コイルを備えた電機子側固定子が配置される共に、これら電機子側固定子と前記界磁側固定子の間にそれぞれ誘導子を備えた回転子が前記発電軸、駆動軸に固定され、
   前記界磁側固定子には、軸線回りの内周側と外周側とで互いに逆極性となる同心円状の磁極が軸線方向の両側に励磁される界磁体が取り付けられる一方、
   前記発電用、駆動用の各回転子には、一端面が前記界磁体の外周側に対向すると共に他端面が前記発電用、駆動用の各電機子側固定子の電機子コイルに対向する磁性体からなる第１誘導子と、一端面が前記界磁体の内周側に対向すると共に他端面が前記発電用、駆動用の各電機子側固定子の電機子コイルに対向する磁性体からなる第２誘導子とが周方向に交互に配置され、
   前記発電用の電機子コイルに電力出力線が接続され、発電軸側では回転駆動力が入力されて発電された電力が出力される一方、前記駆動用の電機子コイルには電力入力線が接続され、駆動軸側では電力が入力されて回転駆動力として出力される構成とされている誘導子型発電・駆動両用モータ。
2. 外部駆動源により回転駆動される発電軸と、該発電軸と同一軸線上に配置される駆動軸を備え、これら発電軸と駆動軸の間に共有して用いられる界磁側固定子が配置される一方、前記発電軸と駆動軸に夫々電機子コイルを備えた電機子側固定子が配置される共に、これら電機子側固定子と前記界磁側固定子の間にそれぞれ誘導子を備えた回転子が前記発電軸、駆動軸に固定され、
   前記界磁側固定子には、軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が軸線方向の両側に励磁される複数の界磁体が取り付けられる一方、前記電機子側固定子には、軸線回りの円環状に導体線が巻回された電機子コイルが取り付けられ、
   前記発電用、駆動用の各回転子には、一端面が前記発電用、駆動用の電機子コイルの外周側に対向すると共に他端面が前記界磁体に対向する磁性体からなる第１誘導子と、一端面が前記発電用、駆動用の電機子コイルの内周側に対向すると共に他端面が前記界磁体に対向する磁性体からなる第２誘導子とが周方向に交互に配置され、
   前記発電用の電機子コイルに電力出力線が接続され、発電軸側では回転駆動力が入力されて発電された電力が出力される一方、前記駆動用の電機子コイルには電力入力線が接続され、駆動軸側では電力が入力されて回転駆動力として出力される構成とされている誘導子型発電・駆動両用モータ。
3. 前記電機子側固定子、第１、第２誘導子を備えた回転子を組み付けている前記発電軸と前記駆動軸とを、その間に前記界磁側固定子を挟んで同一軸線上に並列配置したアキシャルギャップ型とし、
   両側の駆動軸に挟まれた発電軸には、電機子側固定子を挟んで両側に前記回転子を固定し、前記電機子側固定子の電機子コイルの両側端面を両側の回転子の第１、第２誘導子と対向させた構成としている請求項１または請求項２に記載の誘導子型発電・駆動両用モータ。
4. 前記発電軸を中央に挟んで左右両側に駆動軸を配置し、該左右の駆動軸を独立に回転駆動させると共にそれぞれ独立して回転数制御を行える構成としている請求項３に記載の誘導子型発電・駆動両用モータ。
   
5. 前記界磁体は、超電導線材を巻回した界磁コイルとしている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の誘導子型発電・駆動両用モータ。
6. 前記電機子コイルは超電導線材を巻回して形成している請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の誘導子型発電・駆動両用モータ。
7. 前記界磁コイルあるいは／および前記電機子コイルの中空部に圧粉磁性体からなる磁心を配置している請求項５または請求項６に記載の誘導子型発電・駆動両用モータ。
8. 前記第１誘導子および前記第２誘導子は圧粉磁性体で形成している請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の誘導子型発電・駆動両用モータ。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の誘導子型発電・駆動両用モータを搭載した自動車であって、
   前記発電軸にはエンジンからの回転動力を伝達する一方、前記駆動軸の回転動力を車輪に伝達していることを特徴とする自動車。
10. 請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の誘導子型発電・駆動両用モータを搭載した自動車であって、
    前記発電軸にはエンジンからの回転動力を伝達する一方、前記２つの駆動軸をそれぞれ左右の車輪に回転動力を伝達して、両輪駆動構成としていることを特徴とする自動車。

Images