JP2010093998A - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気変速機の機能を有するブラシレス構造の回転電機１を提供する。
【解決手段】回転電機１は、ハウジング２に固定された界磁鉄心７Ａに巻装される界磁巻線７Ｂと、この界磁巻線７Ｂが発生する磁界により、互いに異なる極性に磁化される第一界磁極８ｂと第二界磁極８ｃとを有する第一回転子８と、内側巻線９ｂと外側巻線９ｃとを有し、両巻線が逆相接続されている第二回転子９と、固定子巻線１０ｂを有する固定子１０とを備える。第二回転子９は、第一回転子８が回転することで内側巻線９ｂに電圧が発生し、その発電に伴う回転反力（発電トルク）を受けて、第一回転子８と同一回転方向に回転しようとする。また、内側巻線９ｂに生じた発電によって外側巻線９ｃが励磁されると、外側巻線９ｃに回転磁界が生成されて、固定子巻線１０ｂに誘導電流が生じるため、第二回転子９と固定子１０との間に電動トルクが発生する。
【選択図】図１
【解決手段】回転電機１は、ハウジング２に固定された界磁鉄心７Ａに巻装される界磁巻線７Ｂと、この界磁巻線７Ｂが発生する磁界により、互いに異なる極性に磁化される第一界磁極８ｂと第二界磁極８ｃとを有する第一回転子８と、内側巻線９ｂと外側巻線９ｃとを有し、両巻線が逆相接続されている第二回転子９と、固定子巻線１０ｂを有する固定子１０とを備える。第二回転子９は、第一回転子８が回転することで内側巻線９ｂに電圧が発生し、その発電に伴う回転反力（発電トルク）を受けて、第一回転子８と同一回転方向に回転しようとする。また、内側巻線９ｂに生じた発電によって外側巻線９ｃが励磁されると、外側巻線９ｃに回転磁界が生成されて、固定子巻線１０ｂに誘導電流が生じるため、第二回転子９と固定子１０との間に電動トルクが発生する。
【選択図】図１
Description
本発明は、電気変速機の機能を有するブラシレス構造の回転電機に関する。
従来技術として、２つのロータを同一軸芯上に配置した二重ロータ型複合モータが知られている。例えば、特許文献１に開示された複合モータは、エンジンの駆動軸に連結される入力軸と、車両の駆動輪に連結される出力軸との間に配置され、入力軸と一体に回転する第一ロータと、出力軸と一体に回転する第二ロータと、モータハウジングに固定されるステータとを備える。
第一ロータは、入力軸の外周に固定される第一ロータコアと、この第一ロータコアに巻装される電機子コイルとを有する。電機子コイルは、入力軸に取り付けられるスリップリングに接続され、さらに、スリップリングの外周に配置されるブラシを介して第一インバータに接続されている。
第一ロータは、入力軸の外周に固定される第一ロータコアと、この第一ロータコアに巻装される電機子コイルとを有する。電機子コイルは、入力軸に取り付けられるスリップリングに接続され、さらに、スリップリングの外周に配置されるブラシを介して第一インバータに接続されている。
第二ロータは、第一ロータの径方向外側にギャップを有して配置され、アームを介して出力軸に連結される第二ロータコアと、この第二ロータコアの内周面に配置される内側磁石と、第二ロータコアの外周面に配置される外側磁石とを有する。内側磁極と外側磁極は、それぞれ、周方向に隣り合う磁極が異なる様に着磁されている。つまり、Ｎ極磁石とＳ極磁石とが周方向に交互に配置されている。なお、同文献１には、永久磁石に替えてかご型導体を用いる実施形態も示されている。
ステータは、第二ロータの径方向外側にギャップを有して配置されるステータコアと、このステータコアに巻装される多相巻線とを有し、この多相巻線が第二インバータに接続されている。
ステータは、第二ロータの径方向外側にギャップを有して配置されるステータコアと、このステータコアに巻装される多相巻線とを有し、この多相巻線が第二インバータに接続されている。
上記の複合モータの作動を車両発進の際を例に取り説明する。
車両の駆動輪が静止した状態では、駆動輪に連結された第二ロータが静止しているため、この第二ロータの内側磁石が形成するＮＳ交互磁界は静止している。この状態でエンジンが回転を始めると、エンジンの駆動軸に連結された入力軸と一体に第一ロータが回転し、第二ロータの内側磁石が形成する磁界分布中を第一ロータの電機子コイルが移動することにより、電機子コイルに誘起電圧が発生する。この発生電圧は、スリップリングとブラシを経て第一インバータにより整流されて直流電力として出力され、主に第二インバータに供給される（一部はバッテリにも供給される）。この発電時には、第二ロータが発電反力、すなわち、発電に伴う回転反力を受けるため、この発電反力によって第二ロータに回転力が加わる。
車両の駆動輪が静止した状態では、駆動輪に連結された第二ロータが静止しているため、この第二ロータの内側磁石が形成するＮＳ交互磁界は静止している。この状態でエンジンが回転を始めると、エンジンの駆動軸に連結された入力軸と一体に第一ロータが回転し、第二ロータの内側磁石が形成する磁界分布中を第一ロータの電機子コイルが移動することにより、電機子コイルに誘起電圧が発生する。この発生電圧は、スリップリングとブラシを経て第一インバータにより整流されて直流電力として出力され、主に第二インバータに供給される（一部はバッテリにも供給される）。この発電時には、第二ロータが発電反力、すなわち、発電に伴う回転反力を受けるため、この発電反力によって第二ロータに回転力が加わる。
また、発電電力を受電した第二インバータは、その電力を交流に変換してステータの多相巻線に供給することにより、多相巻線に回転磁界が形成されるため、その回転磁界と第二ロータの外側磁石との間に電動トルクが発生する。これにより、第二ロータは、上記の発電反力と電動トルクの働きにより、出力動力が増大する。
上記の様に、エンジンの動力効率のよい高速動力パワーを、低速な車両駆動輪に対してトルクを増大して作用させることができる。すなわち、電気的にトルクコンバータの作用をさせることができる。また、車両の制動停止時には、ステータと第二ロータとの間でステータの多相巻線に生じる電力を第二インバータを経由してバッテリに蓄電（回生）することもでき、この電力を次の発進や加速に利用することが可能である。
特許第３０５２８２０号公報
上記の様に、エンジンの動力効率のよい高速動力パワーを、低速な車両駆動輪に対してトルクを増大して作用させることができる。すなわち、電気的にトルクコンバータの作用をさせることができる。また、車両の制動停止時には、ステータと第二ロータとの間でステータの多相巻線に生じる電力を第二インバータを経由してバッテリに蓄電（回生）することもでき、この電力を次の発進や加速に利用することが可能である。
ところが、特許文献１に係る従来技術では、第一ロータが電機子として使用されるため、第一ロータの電機子コイルに大電力、大電流を出入りさせる必要がある。すなわち、電機子コイルへ大電力を受給電するためにスリップリングとブラシが必須となる。
しかし、スリップリングとブラシは、両者の摺動面に対するオイル汚損、あるいは塵埃の付着等の影響により接触不良を招き、電気的導通が不安定になる恐れがあるため、信頼性の確保が困難である。また、長期の継続使用により、ブラシの消耗およびスリップリングの摩耗を生じるため、スリップリングとブラシの保守を必要とするが、本製品（複合モータ）は、エンジンの駆動軸と車輪駆動系との間に組み込まれるため、例えば、スタータやオルタネータ等の補器部品とは異なり、本製品だけを簡単に取り外すことはできない。このため、スリップリングやブラシの保守および交換等のメンテナンスが容易ではない。
しかし、スリップリングとブラシは、両者の摺動面に対するオイル汚損、あるいは塵埃の付着等の影響により接触不良を招き、電気的導通が不安定になる恐れがあるため、信頼性の確保が困難である。また、長期の継続使用により、ブラシの消耗およびスリップリングの摩耗を生じるため、スリップリングとブラシの保守を必要とするが、本製品（複合モータ）は、エンジンの駆動軸と車輪駆動系との間に組み込まれるため、例えば、スタータやオルタネータ等の補器部品とは異なり、本製品だけを簡単に取り外すことはできない。このため、スリップリングやブラシの保守および交換等のメンテナンスが容易ではない。
さらに、特許文献１に示される複合モータでは、電機子コイルを有する第一ロータがエンジンに駆動されて高速で回転するため、エンジンの振動を電機子コイルが直接受ける構成であり、且つ、電機子コイルに遠心力が作用するため、電機子コイルの安定した支持が困難であった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、電気変速機の機能を有するブラシレス構造の回転電機を提供することにある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、電気変速機の機能を有するブラシレス構造の回転電機を提供することにある。
（請求項１の発明）
本発明の回転電機は、軸受を介してハウジングに回転自在に支持される第一回転軸と、この第一回転軸と同一軸線上に配置され、且つ、軸受を介してハウジングに回転自在に支持される第二回転軸と、ハウジングの内部に回転不能に配置されると共に、第一回転軸の外周にギャップを有して環状の磁気回路を形成するボス部を有し、このボス部の外周に界磁巻線を巻回して構成される界磁形成部と、第一回転軸と一体に回転すると共に、界磁巻線が発生する磁界により、互いに異なる極性に磁化される第一界磁極と第二界磁極とを有する第一回転子と、この第一回転子の径方向外側にギャップを有して配置され、且つ、第二回転軸と一体に回転する第二回転子と、この第二回転子の径方向外側にギャップを有して配置されると共に、ハウジングに固定される固定子鉄心を有し、この固定子鉄心に固定子巻線を巻装して構成される固定子とを備える。
本発明の回転電機は、軸受を介してハウジングに回転自在に支持される第一回転軸と、この第一回転軸と同一軸線上に配置され、且つ、軸受を介してハウジングに回転自在に支持される第二回転軸と、ハウジングの内部に回転不能に配置されると共に、第一回転軸の外周にギャップを有して環状の磁気回路を形成するボス部を有し、このボス部の外周に界磁巻線を巻回して構成される界磁形成部と、第一回転軸と一体に回転すると共に、界磁巻線が発生する磁界により、互いに異なる極性に磁化される第一界磁極と第二界磁極とを有する第一回転子と、この第一回転子の径方向外側にギャップを有して配置され、且つ、第二回転軸と一体に回転する第二回転子と、この第二回転子の径方向外側にギャップを有して配置されると共に、ハウジングに固定される固定子鉄心を有し、この固定子鉄心に固定子巻線を巻装して構成される固定子とを備える。
第一回転子は、第一界磁極と第二界磁極とがそれぞれ複数の爪状磁極によって構成され、且つ、互いの爪状磁極が界磁巻線の径方向外側にギャップを有して周方向に交互に配置されている。
第二回転子は、第二回転軸に固定されると共に、径方向の内周側と外周側とにそれぞれ複数のスロットが設けられた回転子鉄心と、この回転子鉄心の内周側に設けられたスロットに挿入される内側巻線と、回転子鉄心の外周側に設けられたスロットに挿入される外側巻線とを有し、内側巻線と外側巻線は、それぞれ三相以上を有する同一相数の多相コイルによって構成され、且つ、第二回転子の回転方向に対して内側巻線と外側巻線とが逆相接続されている。
第二回転子は、第二回転軸に固定されると共に、径方向の内周側と外周側とにそれぞれ複数のスロットが設けられた回転子鉄心と、この回転子鉄心の内周側に設けられたスロットに挿入される内側巻線と、回転子鉄心の外周側に設けられたスロットに挿入される外側巻線とを有し、内側巻線と外側巻線は、それぞれ三相以上を有する同一相数の多相コイルによって構成され、且つ、第二回転子の回転方向に対して内側巻線と外側巻線とが逆相接続されている。
本発明の回転電機は、界磁巻線に励磁電流を通電して磁界を発生させることにより、第一回転子に設けられた第一界磁極と第二界磁極とが互いに異なる極性に磁化される。例えば、第一界磁極を構成する複数の爪状磁極が全てＮ極となり、第二界磁極を構成する複数の爪状磁極が全てＳ極となる。ここで、第一回転軸に駆動力が伝達されて第一回転子が高速回転すると、第一回転子と第二回転子との間に回転差が生じるため、第二回転子の内側巻線に交流電圧が発生する。これにより、第二回転子は、発電に伴う回転反力（発電トルクと呼ぶ）を受けて、第一回転子と同一回転方向に回転しようとする。
さらに、内側巻線の発生電圧によって第二回転子の外側巻線が回転励磁される。ここで、内側巻線と外側巻線は、互いに同一相数の多相コイルによって構成され、且つ、逆相接続されているので、外側巻線には、第一回転子の回転方向とは逆方向に進行する回転磁界が生成される。この回転磁界により、固定子巻線に誘導電流が生じるため、第二回転子と固定子との間で回転トルクが発生する。この回転トルクは、固定子巻線を有する固定子が回転しないため、第二回転子を第一回転子の回転方向へ回すように作用する。これにより、第二回転子は、第一回転子との間に生じる発電トルクと、固定子との間に発生する回転トルクとの作用を受けて回転を始めることができる。その結果、高速回転する第一回転軸の動力を、低速大トルクの動力に変換して第二回転軸に伝達する電気変速機としての機能を有することができる。
上記の作動を行う本発明の回転電機は、界磁巻線を有する界磁形成部が回転することはなく、ハウジングの内部に回転不能に配置されているので、外部から界磁巻線に励磁電流を流すための経路にスリップリングとブラシを設ける必要はない。つまり、外部の電源より界磁巻線に直接通電できるので、界磁巻線の許容電流一杯まで通電できる。
さらに、スリップリングとブラシを廃止できるので、信頼性の高い製品を提供でき、且つ、消耗品であるブラシを使わないため、メンテナンスに掛かる手間を少なくできる。
また、本発明の界磁形成部は、磁気回路を形成するボス部の外周に界磁巻線を巻回して構成されるので、例えば、特許文献１に示される電機子コイルのようなコイルエンドが存在しない。これにより、界磁形成部と第一回転子とを軸方向にコンパクトに構成できるため、製品全体の小型化が可能である。
さらに、スリップリングとブラシを廃止できるので、信頼性の高い製品を提供でき、且つ、消耗品であるブラシを使わないため、メンテナンスに掛かる手間を少なくできる。
また、本発明の界磁形成部は、磁気回路を形成するボス部の外周に界磁巻線を巻回して構成されるので、例えば、特許文献１に示される電機子コイルのようなコイルエンドが存在しない。これにより、界磁形成部と第一回転子とを軸方向にコンパクトに構成できるため、製品全体の小型化が可能である。
（請求項２の発明）
請求項１に記載した回転電機において、第二回転子は、内側巻線の磁極数より、外側巻線の磁極数の方が多く設定されていることを特徴とする。
例えば、第二回転子が停止している状態で第一回転子が回転駆動されると、内側巻線の磁極数と第一回転数との積に比例した比較的高い周波数の交流電圧が内側巻線に発生する。この発生電圧が第二回転子の外側巻線を励磁するとき、その外側巻線の磁極数が内側巻線の磁極数と同数であると、内側巻線に生成される回転磁界の速度と同じ速度の回転磁界が外側巻線に生成されるが、内側巻線の磁極数より外側巻線の磁極数の方が多く設定されていると、外側巻線に生成される回転磁界の速度は遅くなる。これにより、第二回転子が回転を始める起動時には、外側巻線に生成される回転磁界の速度が遅い方が固定子との相対速度が小さくなり、すべりが少なくなるため、誘導機のすべりとトルクとの基礎特性に従い、電動トルクは大きく作用することになる。従って、第一回転子に入力される高速低トルクの動力を、低速高トルクの動力に変換しやすくなる。
請求項１に記載した回転電機において、第二回転子は、内側巻線の磁極数より、外側巻線の磁極数の方が多く設定されていることを特徴とする。
例えば、第二回転子が停止している状態で第一回転子が回転駆動されると、内側巻線の磁極数と第一回転数との積に比例した比較的高い周波数の交流電圧が内側巻線に発生する。この発生電圧が第二回転子の外側巻線を励磁するとき、その外側巻線の磁極数が内側巻線の磁極数と同数であると、内側巻線に生成される回転磁界の速度と同じ速度の回転磁界が外側巻線に生成されるが、内側巻線の磁極数より外側巻線の磁極数の方が多く設定されていると、外側巻線に生成される回転磁界の速度は遅くなる。これにより、第二回転子が回転を始める起動時には、外側巻線に生成される回転磁界の速度が遅い方が固定子との相対速度が小さくなり、すべりが少なくなるため、誘導機のすべりとトルクとの基礎特性に従い、電動トルクは大きく作用することになる。従って、第一回転子に入力される高速低トルクの動力を、低速高トルクの動力に変換しやすくなる。
（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した回転電機において、固定子巻線は、かご型短絡導体として形成されていることを特徴とする。
上記の構成によれば、固定子巻線をインバータ等を介して外部の電源に接続する必要がなく、且つ、固定子巻線の構造を簡素化できるので、固定子の製造が容易であり、低コストにできる。また、振動に対して優れた剛性を持つ固定子にできる。
請求項１または２に記載した回転電機において、固定子巻線は、かご型短絡導体として形成されていることを特徴とする。
上記の構成によれば、固定子巻線をインバータ等を介して外部の電源に接続する必要がなく、且つ、固定子巻線の構造を簡素化できるので、固定子の製造が容易であり、低コストにできる。また、振動に対して優れた剛性を持つ固定子にできる。
（請求項４の発明）
請求項１または２に記載した回転電機において、固定子巻線に位相制御回路が接続され、この位相制御回路により固定子巻線の電圧と電流との位相差を変えることができることを特徴とする。
上記の構成によれば、固定子巻線の電圧と電流との位相を位相制御回路により適宜にずらすことで、第二回転子と固定子との間の励磁が強化され、より大きな電動トルクを得ることが可能である。また、外部の電源に接続することなく、電力回路を不要にすることも可能であり、その場合、外部の電源との電力の出し入れや、配線ドロップ等がないため、簡素な構成にでき、且つ、低損失となる。
請求項１または２に記載した回転電機において、固定子巻線に位相制御回路が接続され、この位相制御回路により固定子巻線の電圧と電流との位相差を変えることができることを特徴とする。
上記の構成によれば、固定子巻線の電圧と電流との位相を位相制御回路により適宜にずらすことで、第二回転子と固定子との間の励磁が強化され、より大きな電動トルクを得ることが可能である。また、外部の電源に接続することなく、電力回路を不要にすることも可能であり、その場合、外部の電源との電力の出し入れや、配線ドロップ等がないため、簡素な構成にでき、且つ、低損失となる。
（請求項５の発明）
請求項１または２に記載した回転電機において、固定子巻線にインバータが接続されていることを特徴とする。
上記の構成によれば、例えば、固定子巻線に発生する交流電力をインバータで整流して外部の蓄電装置に充電することができる。または、蓄電装置よりインバータを通じて固定子巻線に通電することもできる。この場合、第二回転子の外側巻線に生成される回転磁界の回転方向とは逆方向の回転磁界ができるように通電することで、誘導モータの二次側として働く固定子を、いわゆる「負すべりで二次励磁」する作用となるため、電池電力を電動トルクに換えて、第二回転子に加えて出力できる。
請求項１または２に記載した回転電機において、固定子巻線にインバータが接続されていることを特徴とする。
上記の構成によれば、例えば、固定子巻線に発生する交流電力をインバータで整流して外部の蓄電装置に充電することができる。または、蓄電装置よりインバータを通じて固定子巻線に通電することもできる。この場合、第二回転子の外側巻線に生成される回転磁界の回転方向とは逆方向の回転磁界ができるように通電することで、誘導モータの二次側として働く固定子を、いわゆる「負すべりで二次励磁」する作用となるため、電池電力を電動トルクに換えて、第二回転子に加えて出力できる。
（請求項６の発明）
請求項５に記載した回転電機において、第一回転軸がエンジンの出力軸に連結され、第二回転子の回転をハウジングに対しロックできる拘束手段を備え、この拘束手段により第二回転子の回転を停止させた状態で、インバータを介して固定子巻線に通電する電流を制御することにより、第一回転子に回転力を発生させ、その回転力をエンジンの出力軸に伝達してエンジンを始動させるスタータモータとして働くことを特徴とする。この請求項６に係る発明では、蓄電電力を活用して第一回転子を電動駆動することができるので、エンジンを始動させるスタータモータとしての作用を発揮させることができる。
請求項５に記載した回転電機において、第一回転軸がエンジンの出力軸に連結され、第二回転子の回転をハウジングに対しロックできる拘束手段を備え、この拘束手段により第二回転子の回転を停止させた状態で、インバータを介して固定子巻線に通電する電流を制御することにより、第一回転子に回転力を発生させ、その回転力をエンジンの出力軸に伝達してエンジンを始動させるスタータモータとして働くことを特徴とする。この請求項６に係る発明では、蓄電電力を活用して第一回転子を電動駆動することができるので、エンジンを始動させるスタータモータとしての作用を発揮させることができる。
（請求項７の発明）
請求項１〜５に記載した何れかの回転電機において、第一回転子と第二回転子との間に両者間を断続できるクラッチを備えることを特徴とする。
この請求項７に係る発明では、例えば、第一回転軸の回転速度と第二回転軸の回転速度とが略等しくなった時に、クラッチを結合状態にする。つまり、クラッチを介して第一回転子と第二回転子とを連結する。これにより、第一回転子と第二回転子との速度差が少ない時は、電気的なエネルギ変換を行うことなく、第一回転子と第二回転子との間で直接動力伝達できるため、高効率なシステム運転が可能となる。
請求項１〜５に記載した何れかの回転電機において、第一回転子と第二回転子との間に両者間を断続できるクラッチを備えることを特徴とする。
この請求項７に係る発明では、例えば、第一回転軸の回転速度と第二回転軸の回転速度とが略等しくなった時に、クラッチを結合状態にする。つまり、クラッチを介して第一回転子と第二回転子とを連結する。これにより、第一回転子と第二回転子との速度差が少ない時は、電気的なエネルギ変換を行うことなく、第一回転子と第二回転子との間で直接動力伝達できるため、高効率なシステム運転が可能となる。
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
図１は回転電機１の構成を示す断面図である。
本実施例の回転電機１は、車両のエンジンと変速機との間に配置され、エンジンが発生する高速低トルクの動力を低速高トルクの動力へ電気的に変換する電気変速機としての機能を有している。
この回転電機１は、図１に示す様に、ハウジング２と、このハウジング２に軸受３を介して回転自在に支持される入力軸４と、ハウジング２に軸受５を介して回転自在に支持される出力軸６と、ハウジング２の内部に回転不能に配置される界磁形成部７と、入力軸４と一体に回転する第一回転子８と、第一回転子８の径方向外側にギャップを有して配置され、且つ、出力軸６と一体に回転する第二回転子９と、この第二回転子９の径方向外側にギャップを有してハウジング２に固定される固定子１０と、第一回転子８と第二回転子９との間を断続できるクラッチ１１等より構成される。
本実施例の回転電機１は、車両のエンジンと変速機との間に配置され、エンジンが発生する高速低トルクの動力を低速高トルクの動力へ電気的に変換する電気変速機としての機能を有している。
この回転電機１は、図１に示す様に、ハウジング２と、このハウジング２に軸受３を介して回転自在に支持される入力軸４と、ハウジング２に軸受５を介して回転自在に支持される出力軸６と、ハウジング２の内部に回転不能に配置される界磁形成部７と、入力軸４と一体に回転する第一回転子８と、第一回転子８の径方向外側にギャップを有して配置され、且つ、出力軸６と一体に回転する第二回転子９と、この第二回転子９の径方向外側にギャップを有してハウジング２に固定される固定子１０と、第一回転子８と第二回転子９との間を断続できるクラッチ１１等より構成される。
入力軸４は、エンジンのクランク軸（図示せず）に連結されている。
出力軸６は、車両の駆動輪（図示せず）に動力を伝達する車輪駆動系（例えば、変速機のギヤ軸）に連結されている。なお、入力軸４と出力軸６は、図１に示す様に、軸方向に対向して同一軸線上に配置されている。
界磁形成部７は、ハウジング２に固定される界磁鉄心７Ａと、この界磁鉄心７Ａに巻装される界磁巻線７Ｂとで構成される。
界磁鉄心７Ａは、入力軸４の外周にギャップを有して環状に設けられ、界磁巻線７Ｂが発生する磁束を通すための磁気回路を形成している。
界磁巻線７Ｂは、界磁鉄心７Ａに設けられる円筒状のボス部７ａの外周にループ状に巻回され、図３に示す様に、車両の蓄電池１２に接続されている。
出力軸６は、車両の駆動輪（図示せず）に動力を伝達する車輪駆動系（例えば、変速機のギヤ軸）に連結されている。なお、入力軸４と出力軸６は、図１に示す様に、軸方向に対向して同一軸線上に配置されている。
界磁形成部７は、ハウジング２に固定される界磁鉄心７Ａと、この界磁鉄心７Ａに巻装される界磁巻線７Ｂとで構成される。
界磁鉄心７Ａは、入力軸４の外周にギャップを有して環状に設けられ、界磁巻線７Ｂが発生する磁束を通すための磁気回路を形成している。
界磁巻線７Ｂは、界磁鉄心７Ａに設けられる円筒状のボス部７ａの外周にループ状に巻回され、図３に示す様に、車両の蓄電池１２に接続されている。
第一回転子８は、入力軸４に固定されるディスク部８ａと、このディスク部８ａと一体に設けられる第一界磁極８ｂと、この第一界磁極８ｂと電気的に絶縁される第二界磁極８ｃとを有する。
ディスク部８ａは、界磁鉄心７Ａのボス部７ａとの間にギャップを有して近接配置され、磁気回路の一部を形成している。
第一界磁極８ｂと第二界磁極８ｃは、図２に示す様に、それぞれ複数の爪状磁極によって構成される。互いの爪状磁極は、界磁巻線７Ｂの径方向外側を覆う様に軸方向へ突き出て設けられ、且つ、周方向に交互に噛み合う様に配置されている。
ディスク部８ａは、界磁鉄心７Ａのボス部７ａとの間にギャップを有して近接配置され、磁気回路の一部を形成している。
第一界磁極８ｂと第二界磁極８ｃは、図２に示す様に、それぞれ複数の爪状磁極によって構成される。互いの爪状磁極は、界磁巻線７Ｂの径方向外側を覆う様に軸方向へ突き出て設けられ、且つ、周方向に交互に噛み合う様に配置されている。
また、第一界磁極８ｂと第二界磁極８ｃは、互いの爪状磁極同士が、非磁性体である連結リング８ｄによって機械的に連結されている。さらに、第二界磁極８ｃは、図１に示す様に、複数の爪状磁極が界磁鉄心７Ａとの間にギャップを有して近接配置されている。
この第一界磁極８ｂと第二界磁極８ｃは、蓄電池１２から界磁巻線７Ｂに励磁電流が通電されると、界磁巻線７Ｂが発生する磁界により、互いに異なる極性に磁化される。つまり、第一界磁極８ｂを構成する複数の爪状磁極が全てＳ極またはＮ極となり、第二界磁極８ｃを構成する複数の爪状磁極が全てＮ極またはＳ極となる（図３参照）。
この第一界磁極８ｂと第二界磁極８ｃは、蓄電池１２から界磁巻線７Ｂに励磁電流が通電されると、界磁巻線７Ｂが発生する磁界により、互いに異なる極性に磁化される。つまり、第一界磁極８ｂを構成する複数の爪状磁極が全てＳ極またはＮ極となり、第二界磁極８ｃを構成する複数の爪状磁極が全てＮ極またはＳ極となる（図３参照）。
第二回転子９は、非磁性体である円板状のアーム部１３を介して出力軸６に連結される回転子鉄心９ａと、この回転子鉄心９ａの内周側に巻装される内側巻線９ｂと、回転子鉄心９ａの外周側に巻装される外側巻線９ｃとを有する。
回転子鉄心９ａは、例えば、複数枚の薄板鉄板を積層して形成され、その内周側には、磁極数８に対し一相一極当たり１スロットとなる計２４個のスロットが設けられ、外周側には、磁極数１６に対し一相一極当たり１スロットとなる計４８個のスロットが設けられている。
回転子鉄心９ａは、例えば、複数枚の薄板鉄板を積層して形成され、その内周側には、磁極数８に対し一相一極当たり１スロットとなる計２４個のスロットが設けられ、外周側には、磁極数１６に対し一相一極当たり１スロットとなる計４８個のスロットが設けられている。
内側巻線９ｂは、三相のコイルを星型結線して構成され、回転子鉄心９ａの内周側に設けられた２４個のスロットに挿入されている。
外側巻線９ｃは、内側巻線９ｂと同じく三相のコイルを星型結線して構成され、回転子鉄心９ａの外周側に設けられた４８個のスロットに挿入されている。
また、内側巻線９ｂと外側巻線９ｃは、図３に示す様に、例えば、第二回転子９の回転方向を基準として見た場合に、三相のうち二相（図３ではＶ相とＷ相）のコイルを入れ替えて、逆相関係になるように接続されている。
外側巻線９ｃは、内側巻線９ｂと同じく三相のコイルを星型結線して構成され、回転子鉄心９ａの外周側に設けられた４８個のスロットに挿入されている。
また、内側巻線９ｂと外側巻線９ｃは、図３に示す様に、例えば、第二回転子９の回転方向を基準として見た場合に、三相のうち二相（図３ではＶ相とＷ相）のコイルを入れ替えて、逆相関係になるように接続されている。
固定子１０は、複数枚の薄板鉄板を積層して形成される固定子鉄心１０ａと、この固定子鉄心１０ａに巻装される固定子巻線１０ｂとを有する。なお、固定子巻線１０ｂは、短絡された三相のかご型導体として形成されている。
クラッチ１１は、図１に示す様に、第一回転子８のディスク部８ａと、回転子鉄心９ａに連結されるアーム部１３との間に介在され、ディスク部８ａとアーム部１３との間を結合するオン状態と、ディスク部８ａとアーム部１３との間を切り離すオフ状態とを切り替えることができる。このクラッチ１１の作動は、回転電機１の作動を制御する外部のＥＣＵ（電子制御装置／図示せず）により制御される。
クラッチ１１は、図１に示す様に、第一回転子８のディスク部８ａと、回転子鉄心９ａに連結されるアーム部１３との間に介在され、ディスク部８ａとアーム部１３との間を結合するオン状態と、ディスク部８ａとアーム部１３との間を切り離すオフ状態とを切り替えることができる。このクラッチ１１の作動は、回転電機１の作動を制御する外部のＥＣＵ（電子制御装置／図示せず）により制御される。
次に、回転電機１の作動を図３、図４を基に説明する。
ａ）車両発進時
車両発進時には、第二回転子９は停止しており、エンジンの回転が入力軸４に伝達されて、その入力軸４と一体に第一回転子８が回転を始める。この時、界磁巻線７Ｂの励磁回路に設けられるスイッチ１４（図３参照）をオン操作して、車両の蓄電池１２より界磁巻線７Ｂに励磁電流を通電する。これにより、第一界磁極８ｂを構成する複数の爪状磁極と、第二界磁極８ｃを構成する複数の爪状磁極とが互いに異なる極性に磁化される。この状態で、第一回転子８が回転すると、停止している第二回転子９との間で回転差が生じるため、第二回転子９の内側巻線９ｂに交流電圧が発生する。その結果、第二回転子９は、図３に矢印Ａで示す様に、発電に伴う回転反力（発電トルク）を受けて、第一回転子８と同一回転方向に回転しようとする。
ａ）車両発進時
車両発進時には、第二回転子９は停止しており、エンジンの回転が入力軸４に伝達されて、その入力軸４と一体に第一回転子８が回転を始める。この時、界磁巻線７Ｂの励磁回路に設けられるスイッチ１４（図３参照）をオン操作して、車両の蓄電池１２より界磁巻線７Ｂに励磁電流を通電する。これにより、第一界磁極８ｂを構成する複数の爪状磁極と、第二界磁極８ｃを構成する複数の爪状磁極とが互いに異なる極性に磁化される。この状態で、第一回転子８が回転すると、停止している第二回転子９との間で回転差が生じるため、第二回転子９の内側巻線９ｂに交流電圧が発生する。その結果、第二回転子９は、図３に矢印Ａで示す様に、発電に伴う回転反力（発電トルク）を受けて、第一回転子８と同一回転方向に回転しようとする。
また、第二回転子９は、内側巻線９ｂに生じた発電によって外側巻線９ｃが励磁されることにより、外側巻線９ｃに回転磁界が生成される。この回転磁界は、内側巻線９ｂと外側巻線９ｃとが逆相接続されているので、内側巻線９ｂに生成される回転磁界の方向とは逆方向、つまり、第一回転子８の回転方向とは逆方向に進行する。
外側巻線９ｃに回転磁界が生じると、固定子巻線１０ｂに誘導電流が流れるため、図３に矢印Ｂで示す様に、第二回転子９と固定子１０との間に回転トルク（以下、電動トルクと呼ぶ）が発生する。この電動トルクは、固定子巻線１０ｂを有する固定子１０が回転しないため、第二回転子９を第一回転子８の回転方向へ回すように作用する。
これにより、第二回転子９は、第一回転子８との間に生じる発電トルクと、固定子１０との間に発生する電動トルクの作用を受けて回転を始める。
外側巻線９ｃに回転磁界が生じると、固定子巻線１０ｂに誘導電流が流れるため、図３に矢印Ｂで示す様に、第二回転子９と固定子１０との間に回転トルク（以下、電動トルクと呼ぶ）が発生する。この電動トルクは、固定子巻線１０ｂを有する固定子１０が回転しないため、第二回転子９を第一回転子８の回転方向へ回すように作用する。
これにより、第二回転子９は、第一回転子８との間に生じる発電トルクと、固定子１０との間に発生する電動トルクの作用を受けて回転を始める。
この後、第二回転子９の回転速度が第一回転子８の回転速度に近づいてくると、両者の回転数差で生じる発電電力が次第に減少するため、図４に示す様に、発電トルク（破線グラフａ）が減少していき、電動トルク（破線グラフｂ）も変動することにより、発電トルクと電動トルクとを合わせた総合トルク（実線グラフｃ）がゼロに近づいていく。なお、図４に示すグラフは、第一回転子８が１０００ｒｐｍの時の、第二回転子９の回転数とトルクとの関係を示している。
第二回転子９に作用する総合トルクが減少して車両の加速が弱まると、エンジン回転数を増加させる操作（例えば、運転者がアクセルを踏む動作）が行われることにより、再び第一回転子８と第二回転子９との回転数差が確保される。その結果、第二回転子９に作用する総合トルクが増大して、第二回転子９が回転力を得ることにより、車両を加速していくことができる。
第二回転子９に作用する総合トルクが減少して車両の加速が弱まると、エンジン回転数を増加させる操作（例えば、運転者がアクセルを踏む動作）が行われることにより、再び第一回転子８と第二回転子９との回転数差が確保される。その結果、第二回転子９に作用する総合トルクが増大して、第二回転子９が回転力を得ることにより、車両を加速していくことができる。
ｂ）高速巡航時
この場合、入力軸４と出力軸６との回転数差は少なくなるが、原理的に発電トルクも電動トルクも弱まるため、入力軸４と出力軸６との間で、ある回転偏差を連続的に維持することになる。しかし、エンジン回転数が高い高速巡航時に入力軸４と出力軸６との回転偏差を連続的に維持することは、動力損失として無視できない。
そこで、高速巡航時には、入力軸４の回転速度と出力軸６の回転速度とが略等しくなった時に、ＥＣＵによりクラッチ１１をオン状態に制御して、ディスク部８ａとアーム部１３との間を結合する。これにより、電気的なエネルギ変換を行うことなく、第一回転子８と第二回転子９との間で直接動力伝達でき、上記の回転偏差を解消できるので、高効率な走行が可能となる。
この場合、入力軸４と出力軸６との回転数差は少なくなるが、原理的に発電トルクも電動トルクも弱まるため、入力軸４と出力軸６との間で、ある回転偏差を連続的に維持することになる。しかし、エンジン回転数が高い高速巡航時に入力軸４と出力軸６との回転偏差を連続的に維持することは、動力損失として無視できない。
そこで、高速巡航時には、入力軸４の回転速度と出力軸６の回転速度とが略等しくなった時に、ＥＣＵによりクラッチ１１をオン状態に制御して、ディスク部８ａとアーム部１３との間を結合する。これにより、電気的なエネルギ変換を行うことなく、第一回転子８と第二回転子９との間で直接動力伝達でき、上記の回転偏差を解消できるので、高効率な走行が可能となる。
ｃ）減速制動時
減速に入った時に、クラッチ１１をオン状態にしていると、エンジンブレーキを効かせることができるが、そこまで必要のない時、つまり、運転者がエンジンブレーキを使う必要がないと判断した時は、ＥＣＵによりクラッチ１１を解除する（オフ状態にする）。これにより、エンジン回転数は早期に低減して低回転となり、第二回転子９は、高速から次第に回転数を落としていくことになるが、第一回転子８との間には回転数差が生じている。すなわち、第二回転子９の方が第一回転子８より回転速度が高いため、第二回転子９から第一回転子８を見ると、第二回転子９の回転方向とは逆方向に回転する回転磁界が内側巻線９ｂに生成される。
このため、内側巻線９ｂと逆相に接続された外側巻線９ｃでは、第二回転子９の回転方向と同じ向きの回転磁界が生成され、その向きの回転磁界を固定子巻線１０ｂに与えることになる。
減速に入った時に、クラッチ１１をオン状態にしていると、エンジンブレーキを効かせることができるが、そこまで必要のない時、つまり、運転者がエンジンブレーキを使う必要がないと判断した時は、ＥＣＵによりクラッチ１１を解除する（オフ状態にする）。これにより、エンジン回転数は早期に低減して低回転となり、第二回転子９は、高速から次第に回転数を落としていくことになるが、第一回転子８との間には回転数差が生じている。すなわち、第二回転子９の方が第一回転子８より回転速度が高いため、第二回転子９から第一回転子８を見ると、第二回転子９の回転方向とは逆方向に回転する回転磁界が内側巻線９ｂに生成される。
このため、内側巻線９ｂと逆相に接続された外側巻線９ｃでは、第二回転子９の回転方向と同じ向きの回転磁界が生成され、その向きの回転磁界を固定子巻線１０ｂに与えることになる。
これにより、固定子巻線１０ｂでは、第二回転子９の進行方向の回転磁界を妨げるような誘導電流を生じるため、結局、第二回転子９を制動する作用が生じることになる。つまり、第二回転子９に連接される車両の駆動輪を制動する作用をすることになる。なお、この制動エネルギは、固定子巻線１０ｂでの発熱となり、固定子鉄心１０ａと熱的に接触したハウジング２に伝熱されて、外気に放熱されることになる。
ｄ）アイドル停止時
このアイドル停止時、つまり、車両が走行状態ではなく、エンジンのみ回転している時は、励磁回路のスイッチ１４（図３参照）をオフ操作して、界磁巻線７Ｂに流れる励磁電流を遮断することで、無用のトルク発生や、界磁巻線７Ｂの発熱を防ぐことができる。
ｄ）アイドル停止時
このアイドル停止時、つまり、車両が走行状態ではなく、エンジンのみ回転している時は、励磁回路のスイッチ１４（図３参照）をオフ操作して、界磁巻線７Ｂに流れる励磁電流を遮断することで、無用のトルク発生や、界磁巻線７Ｂの発熱を防ぐことができる。
（実施例１の効果）
本実施例の回転電機１は、入力軸４に伝達されるエンジンの高速低トルクの動力を、低速高トルクの動力へ電気的に変換して、出力軸６に伝達する電気変速機の機能を果たすことができる。また、第二回転子９は、内側巻線９ｂの磁極数（本実施例では８極）より、外側巻線９ｃの磁極数（本実施例では１６極）の方が多く設定されているので、次の作用効果が生まれる。
例えば、第二回転子９が停止している状態で、第一回転子８がエンジンにより回転駆動されると、内側巻線９ｂの磁極数と第一回転子８の回転数との積に比例した比較的高い周波数の交流電圧が内側巻線９ｂに発生する。
本実施例の回転電機１は、入力軸４に伝達されるエンジンの高速低トルクの動力を、低速高トルクの動力へ電気的に変換して、出力軸６に伝達する電気変速機の機能を果たすことができる。また、第二回転子９は、内側巻線９ｂの磁極数（本実施例では８極）より、外側巻線９ｃの磁極数（本実施例では１６極）の方が多く設定されているので、次の作用効果が生まれる。
例えば、第二回転子９が停止している状態で、第一回転子８がエンジンにより回転駆動されると、内側巻線９ｂの磁極数と第一回転子８の回転数との積に比例した比較的高い周波数の交流電圧が内側巻線９ｂに発生する。
この内側巻線９ｂに発生する電圧が第二回転子９の外側巻線９ｃを励磁するとき、その外側巻線９ｃの磁極数が内側巻線９ｂの磁極数と同数であると、内側巻線９ｂに生成される回転磁界の進行速度と同じ速度の回転磁界が外側巻線９ｃに生成されるが、内側巻線９ｂの磁極数より外側巻線９ｃの磁極数の方が多く設定されていると、外側巻線９ｃに生成される回転磁界の進行速度は遅くなる。これにより、第二回転子９が回転を始める起動時には、外側巻線９ｃに生成される回転磁界の進行速度が遅い方が固定子１０との相対速度が小さくなり、すべりが少なくなるため、誘導モータのすべりとトルクとの基礎特性に従い、電動トルクは大きく作用することになる。これにより、第一回転子８に入力されるエンジンの高速低トルクの動力を、低速高トルクの動力に変換しやすくなる。
また、本実施例の回転電機１は、界磁巻線７Ｂを有する界磁形成部７が回転することはなく、ハウジング２に固定されているので、外部から界磁巻線７Ｂに励磁電流を流すための励磁回路にスリップリングとブラシを設ける必要はない。つまり、スリップリングとブラシを介することなく、車両の蓄電池１２より界磁巻線７Ｂに直接通電できるので、界磁巻線７Ｂの許容電流一杯まで励磁電流を流すことができる。その結果、より強い磁界を発生できるため、第二回転子９に働く回転トルク、つまり、発電トルクと電動トルクを大きくできる。
さらに、スリップリングとブラシを廃止できるので、簡素な構造に出来、信頼性の高い製品を提供できると共に、スリップリングとブラシに係わる保守、点検が不要であるため、製品寿命を延ばすことも可能である。
さらに、スリップリングとブラシを廃止できるので、簡素な構造に出来、信頼性の高い製品を提供できると共に、スリップリングとブラシに係わる保守、点検が不要であるため、製品寿命を延ばすことも可能である。
また、界磁形成部７は、界磁鉄心７Ａに設けられるボス部７ａの外周に界磁巻線７Ｂをループ状に巻回して構成されるので、例えば、特許文献１に示される電機子コイルのようなコイルエンドが存在しない。これにより、界磁形成部７と第一回転子８とを軸方向にコンパクトに構成できるため、製品全体の小型化が可能である。
さらに、特許文献１に示される様に、コイルエンドを有する電機子コイルを第一ロータに巻装した構成では、その第一ロータがエンジンに駆動されて高速で回転するため、遠心力に対する支持が困難である。これに対し、本実施例の回転電機１は、上記の様に、界磁巻線７Ｂを有する界磁形成部７が回転することはないので、界磁巻線７Ｂに遠心力が作用することはない。これにより、界磁巻線７Ｂを安定的に支持することができ、且つ、界磁巻線７Ｂを持たない第一回転子８の耐遠心力強度も向上できる。
さらに、特許文献１に示される様に、コイルエンドを有する電機子コイルを第一ロータに巻装した構成では、その第一ロータがエンジンに駆動されて高速で回転するため、遠心力に対する支持が困難である。これに対し、本実施例の回転電機１は、上記の様に、界磁巻線７Ｂを有する界磁形成部７が回転することはないので、界磁巻線７Ｂに遠心力が作用することはない。これにより、界磁巻線７Ｂを安定的に支持することができ、且つ、界磁巻線７Ｂを持たない第一回転子８の耐遠心力強度も向上できる。
また、本実施例の回転電機１では、固定子巻線１０ｂをかご型短絡導体として形成しているため、例えば、スロットを有する鉄心にコイルを巻線する構造と比較した場合に、鉄心に巻線する手間が不要となる。その結果、固定子巻線１０ｂの構造を簡素化できるので、固定子１０の製造が容易であり、且つ、振動に対しても優れた剛性を有する固定子１０にできる。
さらに、固定子巻線１０ｂをかご型短絡導体として形成することにより、固定子巻線１０ｂにインバータを通じて外部の電源から通電する必要がないので、インバータを使用することなく、低コスト化を図ることができる。
さらに、固定子巻線１０ｂをかご型短絡導体として形成することにより、固定子巻線１０ｂにインバータを通じて外部の電源から通電する必要がないので、インバータを使用することなく、低コスト化を図ることができる。
図５は実施例２に係る回転電機１の電気回路図である。
本実施例の回転電機１は、図５に示す様に、固定子巻線１０ｂに位相制御回路１５が接続され、この位相制御回路１５により、固定子巻線１０ｂの電圧と電流との位相をずらすことができる。
位相制御回路１５は、例えば、複数個のダイオード１５ａとトランジスタ１５ｂとで構成され、この複数個のダイオード１５ａとトランジスタ１５ｂとが正極と負極に対して並列接続されている。なお、固定子巻線１０ｂは、実施例１に記載したかご型短絡導体ではなく、例えば、星型に結線された三相コイルの各端子が位相制御回路１５に接続されている。この固定子巻線１０ｂに位相制御回路１５を接続したこと以外の構成は、実施例１と同じである。
本実施例の回転電機１は、図５に示す様に、固定子巻線１０ｂに位相制御回路１５が接続され、この位相制御回路１５により、固定子巻線１０ｂの電圧と電流との位相をずらすことができる。
位相制御回路１５は、例えば、複数個のダイオード１５ａとトランジスタ１５ｂとで構成され、この複数個のダイオード１５ａとトランジスタ１５ｂとが正極と負極に対して並列接続されている。なお、固定子巻線１０ｂは、実施例１に記載したかご型短絡導体ではなく、例えば、星型に結線された三相コイルの各端子が位相制御回路１５に接続されている。この固定子巻線１０ｂに位相制御回路１５を接続したこと以外の構成は、実施例１と同じである。
固定子巻線１０ｂの電圧と電流との位相を位相制御回路１５により最適に制御すると、図６に示す様に、第二回転子９に作用する電動トルクを大きくできる。具体的には、電圧と電流との位相差が約５０（ｄｅｇＥ）の時に電動トルクが最大となる。
ここで、位相制御によって電動トルクが増加する理由を、実施例１の構成（位相制御しない場合）と比較しながら説明する。なお、解析に使用した回転電機１のモデルを図７に示す。このモデル図に示される第二回転子９は、実施例１に記載した様に、内周側が８極、２４スロット、外周側が１６極、４８スロットに設定されている。また、固定子１０は、第二回転子９の外周側と同じく、１６極、４８スロットに設定されている。
ここで、位相制御によって電動トルクが増加する理由を、実施例１の構成（位相制御しない場合）と比較しながら説明する。なお、解析に使用した回転電機１のモデルを図７に示す。このモデル図に示される第二回転子９は、実施例１に記載した様に、内周側が８極、２４スロット、外周側が１６極、４８スロットに設定されている。また、固定子１０は、第二回転子９の外周側と同じく、１６極、４８スロットに設定されている。
ａ）位相制御を行わない場合。
固定子巻線１０ｂの電圧と電流との位相を制御しない、つまり、実施例１に記載した固定子巻線１０ｂを有する構成では、図８（ａ）の解析結果に示す様に、外側巻線９ｃを流れる電流によって形成される磁界を略真向かいから打ち消す反作用電流が固定子巻線１０ｂに流れるが、第二回転子９と固定子１０は、同極性が略同位置にくるため、トルクは殆ど発揮できない。
なお、図８（ａ）に示す矢印ａは、外側巻線９ｃを流れる電流による磁化方向と中心位置を表し、矢印ｂは、固定子巻線１０ｂを流れる電流による磁化方向と中心位置を表している。
固定子巻線１０ｂの電圧と電流との位相を制御しない、つまり、実施例１に記載した固定子巻線１０ｂを有する構成では、図８（ａ）の解析結果に示す様に、外側巻線９ｃを流れる電流によって形成される磁界を略真向かいから打ち消す反作用電流が固定子巻線１０ｂに流れるが、第二回転子９と固定子１０は、同極性が略同位置にくるため、トルクは殆ど発揮できない。
なお、図８（ａ）に示す矢印ａは、外側巻線９ｃを流れる電流による磁化方向と中心位置を表し、矢印ｂは、固定子巻線１０ｂを流れる電流による磁化方向と中心位置を表している。
上記の作用を図８（ｂ）のベクトル図を用いて説明する。
第二回転子９の内側巻線９ｂで発電された電流ＩR2が外側巻線９ｃに流れると、ＩR2と同相に磁束φR2が発生し、これによる固定子巻線１０ｂでの誘導起電力ｅs は、φR2に対して９０度進んだ位置に発生する。実施例１に記載した固定子巻線１０ｂは、短絡されており、端子電圧Ｖs がゼロとなるため、誘導起電力ｅs と、巻線インピーダンスによる電圧降下Ｘs Ｉs とＲs Ｉs とのベクトル和がゼロとなるように固定子巻線１０ｂに短絡電流Ｉs が流れる。
このＩs による磁束φs は、φR2に対して略真反対に作用している。これにより、第二回転子９と固定子１０は、図８（ａ）に示す矢印ａ、矢印ｂのように、回転周方向に同極性同士が合致する位置関係となるため、電磁力は径方向に反発作用し、周方向の作用は弱くなる。すなわち、電動トルクは効果的に作用しない作動となっている。
第二回転子９の内側巻線９ｂで発電された電流ＩR2が外側巻線９ｃに流れると、ＩR2と同相に磁束φR2が発生し、これによる固定子巻線１０ｂでの誘導起電力ｅs は、φR2に対して９０度進んだ位置に発生する。実施例１に記載した固定子巻線１０ｂは、短絡されており、端子電圧Ｖs がゼロとなるため、誘導起電力ｅs と、巻線インピーダンスによる電圧降下Ｘs Ｉs とＲs Ｉs とのベクトル和がゼロとなるように固定子巻線１０ｂに短絡電流Ｉs が流れる。
このＩs による磁束φs は、φR2に対して略真反対に作用している。これにより、第二回転子９と固定子１０は、図８（ａ）に示す矢印ａ、矢印ｂのように、回転周方向に同極性同士が合致する位置関係となるため、電磁力は径方向に反発作用し、周方向の作用は弱くなる。すなわち、電動トルクは効果的に作用しない作動となっている。
ｂ）位相制御を行った場合。
固定子巻線１０ｂの電圧と電流との位相を最適に制御すると、図９（ａ）の解析結果に示す様に、外側巻線９ｃを流れる電流によって形成される磁界に対し、固定子巻線１０ｂに流れる電流の分布を最大のトルクが働く位置関係にずらすことができる。これにより、第二回転子９と固定子１０は、回転周方向に同極性同士が略９０度ずれた位置関係となるため、大きなトルクを得ることができる。
なお、図９（ａ）に示す矢印ａは、外側巻線９ｃを流れる電流による磁化方向と中心位置を表し、矢印ｂは、固定子巻線１０ｂを流れる電流による磁化方向と中心位置を表している。
固定子巻線１０ｂの電圧と電流との位相を最適に制御すると、図９（ａ）の解析結果に示す様に、外側巻線９ｃを流れる電流によって形成される磁界に対し、固定子巻線１０ｂに流れる電流の分布を最大のトルクが働く位置関係にずらすことができる。これにより、第二回転子９と固定子１０は、回転周方向に同極性同士が略９０度ずれた位置関係となるため、大きなトルクを得ることができる。
なお、図９（ａ）に示す矢印ａは、外側巻線９ｃを流れる電流による磁化方向と中心位置を表し、矢印ｂは、固定子巻線１０ｂを流れる電流による磁化方向と中心位置を表している。
上記の作用を図９（ｂ）のベクトル図を用いて説明する。
第二回転子９の内側巻線９ｂで発電された電流ＩR2が外側巻線９ｃに流れると、ＩR2と同相に磁束φR2が発生し、これによる固定子巻線１０ｂでの誘導起電力ｅs は、φR2に対して９０度進んだ位置に発生する。実施例２に示す固定子巻線１０ｂは、位相制御回路１５に接続されており、端子電圧Ｖs と電流Ｉs との位相差を変化させることができる。これにより、φR2に対して略９０度の位置関係に磁束φs を作用させることができる。これにより、第二回転子９と固定子１０は、図９（ａ）に示す矢印ａ、矢印ｂのように、回転周方向に同極性同士が最も合致しない９０度ずれた位置関係となるため、大きなトルクを発生させることができる。
なお、位相制御回路１５とは、等価的にリアクタンス成分を制御するものであり、図９（ｂ）に示すＸpcのように小さくする作用もできる。この時、端子電圧Ｖs に対して約５０度ほど電流Ｉs を進ませると、φR2に対して９０度の位置関係にφs を作用させる動作をもたらす。
第二回転子９の内側巻線９ｂで発電された電流ＩR2が外側巻線９ｃに流れると、ＩR2と同相に磁束φR2が発生し、これによる固定子巻線１０ｂでの誘導起電力ｅs は、φR2に対して９０度進んだ位置に発生する。実施例２に示す固定子巻線１０ｂは、位相制御回路１５に接続されており、端子電圧Ｖs と電流Ｉs との位相差を変化させることができる。これにより、φR2に対して略９０度の位置関係に磁束φs を作用させることができる。これにより、第二回転子９と固定子１０は、図９（ａ）に示す矢印ａ、矢印ｂのように、回転周方向に同極性同士が最も合致しない９０度ずれた位置関係となるため、大きなトルクを発生させることができる。
なお、位相制御回路１５とは、等価的にリアクタンス成分を制御するものであり、図９（ｂ）に示すＸpcのように小さくする作用もできる。この時、端子電圧Ｖs に対して約５０度ほど電流Ｉs を進ませると、φR2に対して９０度の位置関係にφs を作用させる動作をもたらす。
上記の様に、固定子巻線１０ｂの電圧と電流との位相を最適に制御することにより、実施例１に記載した固定子巻線１０ｂ（かご型短絡導体）を有する構成と比較して、電動トルクを大きくできる。位相制御をしない実施例１の構成と、位相制御を行った実施例２の構成とで電動トルクの大きさを比較した実験結果を図１０に示す。
図中の破線グラフＡ１、Ｂ１、Ｃ１は、位相制御しない場合の電動トルクの大きさを示し、実線グラフＡ２、Ｂ２、Ｃ２は、位相制御した場合の電動トルクの大きさを示している。また、グラフＡ１、Ａ２は、第一回転子８の回転数が５００ｒｐｍの場合、グラフＢ１、Ｂ２は、第一回転子８の回転数が１０００ｒｐｍの場合、グラフＣ１、Ｃ２は、第一回転子８の回転数が２０００ｒｐｍの場合を示している。
この実験結果からも分かるように、さまざまな回転数において、位相制御をしない場合より、位相制御をした場合の方が大きな電動トルクを得ることができる。
図中の破線グラフＡ１、Ｂ１、Ｃ１は、位相制御しない場合の電動トルクの大きさを示し、実線グラフＡ２、Ｂ２、Ｃ２は、位相制御した場合の電動トルクの大きさを示している。また、グラフＡ１、Ａ２は、第一回転子８の回転数が５００ｒｐｍの場合、グラフＢ１、Ｂ２は、第一回転子８の回転数が１０００ｒｐｍの場合、グラフＣ１、Ｃ２は、第一回転子８の回転数が２０００ｒｐｍの場合を示している。
この実験結果からも分かるように、さまざまな回転数において、位相制御をしない場合より、位相制御をした場合の方が大きな電動トルクを得ることができる。
図１１は実施例３に係る回転電機１の電気回路図である。
本実施例の回転電機１は、固定子巻線１０ｂにインバータ１６が接続され、そのインバータ１６が蓄電池１２に接続されている。固定子巻線１０ｂは、実施例２と同様に、例えば、星型に結線された三相コイルの各端子がインバータ１６に接続されている。この固定子巻線１０ｂにインバータ１６を接続したこと以外の構成は、実施例１と同じである。
本実施例の場合、例えば、車両の減速制動時において、固定子１０と第二回転子９との間で固定子巻線１０ｂに生じる交流電力をインバータ１６で整流して蓄電池１２に充電（回生）することができ、この電力を次の発進や加速に利用することが可能である。
本実施例の回転電機１は、固定子巻線１０ｂにインバータ１６が接続され、そのインバータ１６が蓄電池１２に接続されている。固定子巻線１０ｂは、実施例２と同様に、例えば、星型に結線された三相コイルの各端子がインバータ１６に接続されている。この固定子巻線１０ｂにインバータ１６を接続したこと以外の構成は、実施例１と同じである。
本実施例の場合、例えば、車両の減速制動時において、固定子１０と第二回転子９との間で固定子巻線１０ｂに生じる交流電力をインバータ１６で整流して蓄電池１２に充電（回生）することができ、この電力を次の発進や加速に利用することが可能である。
また、蓄電池１２よりインバータ１６を通じて固定子巻線１０ｂに通電することもできる。この場合、図１１に示す様に、第二回転子９の外側巻線９ｃに生成される回転磁界の回転方向とは逆方向の回転磁界ができるように通電することで、誘導モータの二次側として働く固定子１０を、いわゆる「負すべりで二次励磁」する作用となるため、電池電力を電動力に換えて、第二回転子９に加えて出力できる。
なお、図１１では、インバータ１６が蓄電池１２に接続されているが、蓄電池１２に換えて、インバータ１６に電気負荷を接続することもできる。この場合、固定子巻線１０ｂに生じる交流電力をインバータ１６で整流して電気負荷に供給することも可能である。
なお、図１１では、インバータ１６が蓄電池１２に接続されているが、蓄電池１２に換えて、インバータ１６に電気負荷を接続することもできる。この場合、固定子巻線１０ｂに生じる交流電力をインバータ１６で整流して電気負荷に供給することも可能である。
図１２は実施例４に係る回転電機１の構成を示す断面図である。
本実施例の回転電機１は、実施例３に示した構成に加えて、第二回転子９の回転をハウジング２に対しロックできる拘束装置１７を備えている。
拘束装置１７は、例えば、図１２に示す様に、第二回転子９に連結されるアーム部１３とハウジング２との間に設けられ、外部のＥＣＵ（図示せず）により制御される。
ＥＣＵは、例えば、エンジンを始動する際に、拘束装置１７を作動させると共に、固定子巻線１０ｂに接続されたインバータ１６の作動を制御する。具体的には、拘束装置１７により第二回転子９の回転をロックさせた状態で、第一回転子８の磁極位置を検出し、その磁極の磁束分布と、第二回転子９の内側巻線９ｂに流れる電流が作る回転磁界の分布とがトルク最大となるように、固定子巻線１０ｂに通電される電流をインバータ１６により制御する。
これにより、蓄電池１２の電力を活用して第一回転子８を電動駆動することができ、その第一回転子８の回転力をエンジンのクランク軸に伝達してエンジンを始動させることにより、スタータモータとしての作用を発揮させることができる。
本実施例の回転電機１は、実施例３に示した構成に加えて、第二回転子９の回転をハウジング２に対しロックできる拘束装置１７を備えている。
拘束装置１７は、例えば、図１２に示す様に、第二回転子９に連結されるアーム部１３とハウジング２との間に設けられ、外部のＥＣＵ（図示せず）により制御される。
ＥＣＵは、例えば、エンジンを始動する際に、拘束装置１７を作動させると共に、固定子巻線１０ｂに接続されたインバータ１６の作動を制御する。具体的には、拘束装置１７により第二回転子９の回転をロックさせた状態で、第一回転子８の磁極位置を検出し、その磁極の磁束分布と、第二回転子９の内側巻線９ｂに流れる電流が作る回転磁界の分布とがトルク最大となるように、固定子巻線１０ｂに通電される電流をインバータ１６により制御する。
これにより、蓄電池１２の電力を活用して第一回転子８を電動駆動することができ、その第一回転子８の回転力をエンジンのクランク軸に伝達してエンジンを始動させることにより、スタータモータとしての作用を発揮させることができる。
１ 回転電機
２ ハウジング
３ 軸受
４ 入力軸（第一回転軸）
５ 軸受
６ 出力軸（第二回転軸）
７ 界磁形成部
７Ｂ 界磁巻線
７ａ 界磁鉄心のボス部
８ 第一回転子
８ｂ 第一界磁極
８ｃ 第二界磁極
９ 第二回転子
９ａ 回転子鉄心
９ｂ 内側巻線
９ｃ 外側巻線
１０ 固定子
１０ａ 固定子鉄心
１０ｂ 固定子巻線
１１ クラッチ
１５ 位相制御回路
１６ インバータ
１７ 拘束装置（拘束手段）
２ ハウジング
３ 軸受
４ 入力軸（第一回転軸）
５ 軸受
６ 出力軸（第二回転軸）
７ 界磁形成部
７Ｂ 界磁巻線
７ａ 界磁鉄心のボス部
８ 第一回転子
８ｂ 第一界磁極
８ｃ 第二界磁極
９ 第二回転子
９ａ 回転子鉄心
９ｂ 内側巻線
９ｃ 外側巻線
１０ 固定子
１０ａ 固定子鉄心
１０ｂ 固定子巻線
１１ クラッチ
１５ 位相制御回路
１６ インバータ
１７ 拘束装置（拘束手段）
Claims (7)
- 軸受を介してハウジングに回転自在に支持される第一回転軸と、
この第一回転軸と同一軸線上に配置され、且つ、軸受を介して前記ハウジングに回転自在に支持される第二回転軸と、
前記ハウジングの内部に回転不能に配置されると共に、前記第一回転軸の外周にギャップを有して環状の磁気回路を形成するボス部を有し、このボス部の外周に界磁巻線を巻回して構成される界磁形成部と、
前記第一回転軸と一体に回転すると共に、前記界磁巻線が発生する磁界により、互いに異なる極性に磁化される第一界磁極と第二界磁極とを有する第一回転子と、
この第一回転子の径方向外側にギャップを有して配置され、且つ、前記第二回転軸と一体に回転する第二回転子と、
この第二回転子の径方向外側にギャップを有して配置されると共に、前記ハウジングに固定される固定子鉄心を有し、この固定子鉄心に固定子巻線を巻装して構成される固定子とを備える回転電機であって、
前記第一回転子は、前記第一界磁極と前記第二界磁極とがそれぞれ複数の爪状磁極によって構成され、且つ、互いの爪状磁極が前記界磁巻線の径方向外側にギャップを有して周方向に交互に配置され、
前記第二回転子は、前記第二回転軸に固定されると共に、径方向の内周側と外周側とにそれぞれ複数のスロットが設けられた回転子鉄心と、この回転子鉄心の内周側に設けられたスロットに挿入される内側巻線と、前記回転子鉄心の外周側に設けられたスロットに挿入される外側巻線とを有し、前記内側巻線と前記外側巻線は、それぞれ三相以上を有する同一相数の多相コイルによって構成され、且つ、前記第二回転子の回転方向に対して前記内側巻線と前記外側巻線とが逆相接続されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載した回転電機において、
前記第二回転子は、前記内側巻線の磁極数より、前記外側巻線の磁極数の方が多く設定されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項１または２に記載した回転電機において、
前記固定子巻線は、かご型短絡導体として形成されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項１または２に記載した回転電機において、
前記固定子巻線に位相制御回路が接続され、この位相制御回路により前記固定子巻線の電圧と電流との位相差を変えることができることを特徴とする回転電機。 - 請求項１または２に記載した回転電機において、
前記固定子巻線にインバータが接続されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項５に記載した回転電機において、
前記第一回転軸がエンジンの出力軸に連結され、
前記第二回転子の回転を前記ハウジングに対しロックできる拘束手段を備え、
前記拘束手段により前記第二回転子の回転を停止させた状態で、前記インバータを介して前記固定子巻線に通電する電流を制御することにより、前記第一回転子に回転力を発生させ、その回転力を前記エンジンの出力軸に伝達して前記エンジンを始動させるスタータモータとして働くことを特徴とする回転電機。 - 請求項１〜５に記載した何れかの回転電機において、
前記第一回転子と前記第二回転子との間に両者間を断続できるクラッチを備えることを特徴とする回転電機。
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