JP2012130206A - 多重回転子形電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】固定子回転磁界を形成する固定子巻線３１を有してケース２に固定された固定子３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４１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４４および誘導巻線４４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４７を有し回転自在に軸承された複合回転子４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５１を有し複合回転子４よりも高速で回転可能な回転子５と、回転子５に結合され回転自在に軸承された出力軸６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７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機に関し、より詳細には、複数の回転子を有する多重回転子形電動機に関する。

ハイブリッド車両では、駆動源としてエンジンおよび電動機を搭載し、エンジンによる駆動を電動機でアシストしたり、電動機単独で駆動したりできるようになっている。電動機には三相交流電動機が用いられ、インバータ装置で通電制御することにより、走行速度を可変に制御するのが一般的である。この種の車載電動機として、複数の回転子を有する多重回転子形電動機が提案されている。

例えば、特許文献１に開示される車両用変速装置は、エンジンに連結され少なくとも発電機として機能する第１回転電機と、車輪軸に連結され少なくとも電動機として機能する第２回転電機と、第１および第２回転電機をそれぞれ駆動する第１および第２駆動手段と、制御手段とを備え、制御手段より車両発進時により大きなトルクを発生することを目的としている。そして、特許文献１の図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、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、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であることを特徴とする。

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）であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、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ことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、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ことを特徴とする。

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ことを特徴とする。

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ことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項において、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ことを特徴とする。

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ことを特徴とする。

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ことを特徴とする。

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ことを特徴とする。

請求項１に係る多重回転子形電動機の発明では、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。

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、
   を備えることを特徴とする多重回転子形電動機。
2. 請求項１において、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であることを特徴とす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）であることを特徴とする多重回転子形電動機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、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ことを特徴とする多重回転子形電動機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、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ことを特徴とす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ことを特徴とする多重回転子形電動機。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、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ことを特徴とす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ことを特徴と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ことを特徴と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ことを特徴とする多重回転子形電動機。

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