JP2013179806A - 磁気変調式二軸モータ - Google Patents

Abstract

【課題】幾つかの要素を機能的に集約、統合して小型コンパクトな駆動系を実現できる磁気変調式二軸モータ１を提供する。
【解決手段】本モータ１は、第一回転軸３に支持される界磁ロータ６と、第二回転軸４に支持される磁気誘導ロータ８と、モータハウジング２に固定されるステータ９と、モータハウジング２と第一回転軸３との間に配設される第一回転規制手段と、モータハウジング２と第二回転軸４との間に配設される電磁式双方向クラッチ２２と、第一回転軸３と第二回転軸４との間に配設される電磁式双方向クラッチ３３より構成される。電磁式双方向クラッチ２２、２３は、軸動力を利用して結合するため、結合状態を維持するためのエネルギが不要である。また、第一回転規制手段は、電気的な制御が不要な一方向クラッチ１７である。これにより、エンジン始動からＥＶ走行まで八通りの状態を作り出すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、内燃機関の動力と電池の電力とで走行するハイブリッド車両の動力装置に用いて好適な磁気変調式二軸モータに関する。

ハイブリッド車両の動力系に関する従来技術として、特許文献１が公知である。
この特許文献１に係る従来技術は、機械動力を発生するエンジンと、被駆動対象となる車輪と、これらの回転の差異を整合させる減速機、この減速機の減速比を可変する減速比可変手段と、これらを連結および遮断するクラッチ機構と、電動力を発生するためのモータと、機械動力と電動力の合成と分割および配分を行う動力分割手段とを備えている。

特開２０１１−１５７０６８号公報

ところが、特許文献１に開示された駆動系では、例えば、モータ、クラッチ機構、動力分割手段等の機能が個別に配列されているため、駆動系全体が大きく大掛かりなものとなる。その結果、駆動系のサイズがある程度大きく長くなっても、まだ搭載の可能な後輪駆動形式の車両の用途に限られる問題およびコスト高になる問題を有していた。
本発明は、上記事情に基づいて成されたものであり、その目的は、幾つかの要素を機能的に集約、統合して小型コンパクトな駆動系を実現できる磁気変調式二軸モータを提供することにある。

本発明の磁気変調式二軸モータは、Ｎ極とＳ極とを周方向に交互に配列した極対数ｎを有する界磁回転子と、この界磁回転子の外径側または内径側に空隙を有して同心に配置され、磁気導通路を形成するｋ個の軟磁性体を周方向に空間を空けて等ピッチに配列した磁気誘導回転子と、界磁回転子と磁気誘導回転子とのうち、外径側に配置される回転子を一方の回転子、内径側に配置される回転子を他方の回転子と呼ぶ時に、一方の回転子の外径側または他方の回転子の内径側に空隙を有して同心に配置され、ｎとｋとの和または差となる極対数の多相巻線を有する固定子と、界磁回転子を支持する第一回転軸と、磁気誘導回転子を支持する第二回転軸と、第一回転軸および第二回転軸を回転可能に支持するハウジング等を備える。

また、ハウジングと第一回転軸との間には、第一回転軸がハウジングに対し一方向に回転することを許容し、他方向に回転することを規制する第一回転規制手段が設けられ、ハウジングと第二回転軸との間には、第二回転軸がハウジングに対し一方向と他方向との双方向に回転することを許容する中立状態と、ハウジングに対し一方向または他方向に回転することを規制するロック状態とを切り替えることができる第二回転規制手段が設けられている。
さらに、第一回転軸と第二回転軸との間には、第一回転軸と第二回転軸とを直結する直結状態と、第一回転軸と第二回転軸との間を遮断する遮断状態とを切り替えることができる第三回転規制手段が配設されている。

上記の構成を有する本発明の磁気変調式二軸モータは、第一回転軸と第二回転軸との間の回転速度を自在に変速することができ、且つ、第一回転軸と第二回転軸とを直結あるいは遮断することができる。また、本発明の磁気変調式二軸モータをハイブリッド車両の駆動系に用いた場合は、エンジン動力に電動力を加えたり、第二回転軸からの入力を受けて発電することもできる。すなわち、一つのコンパクトなモータでありながら、機械動力と電動力とを双方向に自在にコントロールすることができる。これにより、変速機能と動力の分割および合成機能、モータジェネレータ機能を持った複合機能モータにできるので、ハイブリッド車両の駆動系を簡素化および小型化できる。

実施例１に係る本モータの断面図である。 界磁ロータと磁気誘導ロータおよびステータの断面図である。 ステータ巻線の結線図である。 第二回転規制手段のクラッチ構成部とクラッチ作動部を示す断面図である。 クラッチ構成部の作動を説明する断面図である。 磁気変調原理を説明する二つのロータとステータの展開図である。 （ａ）二つのロータとステータの回転運動を示す説明図、（ｂ）共線図を用いたモータの作動説明図である。 磁気誘導ロータを停止した時の作動説明図である。 作動モデルによる磁気変調原理の説明図である。 共線図を用いた運転モードの説明図である。 実施例２に係る本モータの断面図である。 ステータ巻線の結線図および通電方法を示す説明図である。 ステータ巻線に通電される電流の波形図である。 ステータ巻線への通電によって発生する磁束の流れを示す説明図である。 （ａ）実施例２に係る回転規制手段のクラッチ機構を示す断面図、（ｂ）同クラッチ機構に緩衝部材を組み込んだ状態を示す断面図である。 実施例３に係る回転規制手段の断面図である。

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。

（実施例１）
実施例１では、本発明の磁気変調式二軸モータをハイブリッド車の駆動系に適用した一例を説明する。
まず、磁気変調式二軸モータ（以下、本モータ１と呼ぶ）の構成を説明する。
本モータ１は、図１に示す様に、モータハウジング２に支持される第一回転軸３および第二回転軸４と、第一回転軸３に磁性体製のハブ５を介して支持される界磁ロータ６と、この界磁ロータ６の外径側に空隙を有して同心に配置され、且つ、第二回転軸４に非磁性体製のハブ７を介して支持される磁気誘導ロータ８と、この磁気誘導ロータ８の外径側に空隙を有して同心に配置され、且つ、モータハウジング２に固定されるステータ９と、モータハウジング２と第一回転軸３との間に配設される第一回転規制手段（後述する）と、モータハウジング２と第二回転軸４との間に配設される第二回転規制手段（後述する）と、第一回転軸３と第二回転軸４との間に配設される第三回転規制手段（後述する）などより構成される。

モータハウジング２は、非磁性体（例えば、アルミニウム製）であり、図示しないエンジンまたは増速機のハウジングに固定される。また、モータハウジング２は、図１に示す様に、例えば、第二回転軸４を支持するハウジング腕部の肉厚（図示左右方向の寸法）が、第一回転軸３を支持するハウジング腕部の肉厚より厚く形成され、そのハウジング腕部の内部にウォータジャケットとしての通水孔１０が形成されている。
モータハウジング２には、エンジン冷却水を通水孔１０へ導水するための導水口１１と、通水孔１０よりエンジン冷却水を排水するための排水口１２とが設けられ、それぞれ図示しない配管によってエンジンの冷却水回路に接続されている。

第一回転軸３は、エンジンの出力軸（クランク軸）に増速機を介して連結され、界磁ロータ６を支持するハブ５と一体に設けられている。
第二回転軸４は、図示しない減速ギヤ軸と、車輪の前進と後進とを切り替える進行方向切替えギヤとを介して車輪軸に連結される。磁気誘導ロータ８を支持するハブ７は、例えば、図１に示す様に、第二回転軸４の外周に嵌合してキー結合されている。
上記の第一回転軸３と第二回転軸４は、同一軸線上に配置されている。
界磁ロータ６は、図２に示す様に、ハブ５の外周に嵌合して取り付けられる円環状のロータ鉄心６ａと、このロータ鉄心６ａに埋設される１６個の希土類磁石１３（例えばネオジム磁石）とで構成される。ロータ鉄心６ａは、例えば、電磁鋼板を積層して構成される。１６個の磁石１３は、ロータ鉄心６ａの周方向に等間隔に配置され、図示矢印で示す様に径方向に着磁される。但し、周方向に隣り合う磁石１３同士は、互いの極性が径方向で異なる、つまり、Ｎ極とＳ極とが交互に異なる様に配置され、請求項１に記載した極対数ｎ＝８となる。

磁気誘導ロータ８は、図２に示す様に、磁気導通路を形成するｋ個（実施例１ではｋ＝２０）の軟磁性体８ａを周方向に空間を空けて等ピッチに配列して構成され、個々の軟磁性体８ａが、それぞれ絶縁体である非金属製の締結部材１４（図１参照）によってハブ７に固定されている。
ステータ９は、図２に示す様に、周方向に複数のスロット９ａが等間隔に形成されたステータ鉄心９ｂと、このステータ鉄心９ｂに巻装されるステータ巻線９ｃ（図１参照）とで構成され、モータハウジング２の内周に固定される。
ステータ鉄心９ｂは、円環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成される。ステータ巻線９ｃは、界磁ロータ６の極対数ｎと磁気誘導ロータ８の極対数ｋとの和または差となる極対数ｍを有する多相巻線である。具体的には、ステータ鉄心９ｂの全周を２４等分するピッチを節として巻線された極対数ｍ＝１２の三相巻線である。

三相巻線は、図３に示す様に、位相が１２０度ずつ異なる三相（Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）の相巻線を星型結線して形成され、各相の端子Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏ（中性点Ｏと反対側の端部）がインバータ１５を介して車両走行用の高電圧電池Ｂに接続されている。
インバータ１５は、直流電力を交流電力に変換する周知の電力変換装置であり、例えば、複数のトランジスタ１５ａと、このトランジスタ１５ａに対し逆並列に接続される複数のダイオード１５ｂとで構成される。このインバータ１５は、車両制御ＥＣＵ（図示せず）との間で信号をやり取りするインバータＥＣＵ（図示せず）が接続され、このインバータＥＣＵによって駆動制御される。

第一回転規制手段は、第一回転軸３が動力回転方向に回転することを許容する一方、動力回転方向と逆方向に回転することを規制する一方向クラッチ１７によって構成される。なお、第一回転軸３がエンジンより伝達される動力の回転方向を動力回転方向と定義する。一方向クラッチ１７は、極めて公知であるが、その構成を以下に簡単に説明する。
この一方向クラッチ１７は、図１に示す様に、第一回転軸３によって形成される内輪１８と、モータハウジング２の内周に固定される外輪１９と、内輪１８と外輪１９との間に配置されるコロ２０とで構成され、動力回転方向と逆方向の回転力が第一回転軸３に付与された際に、コロ２０が内輪１８と外輪１９との間に形成されるくさび空間に噛み込むことで、第一回転軸３が動力回転方向と逆方向に回転することを規制する。なお、第一回転軸３とモータハウジング２との間には、一方向クラッチ１７に隣接してコロ軸受２１が配設され、このコロ軸受２１を介して第一回転軸３がモータハウジング２に回転自在に支持される。

第二回転規制手段は、第二回転軸４の回転を正回転方向と逆回転方向との双方向に許容する中立状態と、第二回転軸４の回転を正回転方向または逆回転方向に規制するロック状態とを切り替えることができる。なお、車輪軸を前進回転させる第二回転軸４の回転方向を正回転方向、車輪軸を後進回転させる第二回転軸４の回転方向を逆回転方向と定義する。この第二回転規制手段は、電磁石の磁力によって中立状態を解除した後、第二回転軸４の軸動力を利用してロック状態へ移行する電磁式双方向クラッチ２２である。
この電磁式双方向クラッチ２２は、以下に説明するクラッチ構成部とクラッチ制御部、および、電磁石によって構成される。

クラッチ構成部は、図４に示す様に、第二回転軸４の外周に嵌合する内輪２３と、モータハウジング２の内周に固定される外輪２４と、内輪２３と外輪２４とを相対回転自在に保持するベアリング２５と、内輪２３と外輪２４との間に配置される複数のコロ２６と、このコロ２６を保持する保持器２７と、この保持器２７をばね力によって保持するスイッチばね（図示せず）等より構成される。
内輪２３は、図５に示す様に、外輪２４の内周面と対向する外周面が多角形に形成され、その多角形の各面をカム面２３ａと呼ぶ。コロ２６は、同図（ａ）に示す様に、保持器２７によってカム面２３ａの中央に保持され、その保持力がスイッチばねによって与えられている。コロ２６がカム面２３ａの中央に保持されている状態では、外輪２４とコロ２６との間に僅かな隙間が存在するため、内輪２３と外輪２４とは自由に相対回転できる。コロ２６が保持器２７によってカム面２３ａの中央に保持されている状態、つまり、内輪２３と外輪２４とが相対回転できる状態を本発明の中立状態と呼ぶ。

クラッチ制御部は、図４に示す様に、保持器２７に係合する磁性体製のアーマチャ２８と、このアーマチャ２８に取り付けられた摩擦材２９と、この摩擦材２９との間に若干の隙間を有してアーマチャ２８と対向して配置され、且つ、外輪２４に係止された非磁性すべり板３０とで構成される。
このクラッチ制御部は、電磁石に発生する磁力の働きでアーマチャ２８がすべり板３０側（図示右側）へ吸引され、そのアーマチャ２８に取り付けられた摩擦材２９がすべり板３０に当接する。これにより、すべり板３０と摩擦材２９との間に摩擦抵抗が生じるため、摩擦材２９が取り付けられたアーマチャ２８を介して保持器２７の動きが規制される。すなわち、クラッチ制御部は、電磁石の磁力によってクラッチ構成部の中立状態を解除する働きを行う。

クラッチ制御部によりクラッチ構成部の中立状態が解除された後、内輪２３と外輪２４との間に相対回転が生じると、図５（ｂ）に示す様に、内輪２３に対するコロ２６の位相が変化する。つまり、カム面２３ａの中央から端部側へコロ２６が移動して、カム面２３ａと外輪２４の内周面との間にコロ２６が食い込むことにより、内輪２３の回転すなわち第二回転軸４の回転が規制される。なお、図５（ｂ）では、内輪２３の図示矢印方向（反時計回転方向）への回転が規制されるが、内輪２３と外輪２４との相対回転が同図（ｂ）と逆方向に生じた時は、当然、内輪２３の図示右方向（時計回転方向）への回転が規制されることは言うまでもない。
内輪２３と外輪２４との相対回転がコロ２６によって規制される状態、言い換えると、第二回転軸４の回転が正回転方向または逆回転方向に規制される状態を本発明のロック状態と呼ぶ。

電磁石は、図１に示す様に、モータハウジング２に保持された励磁コイル３１を有し、外部より励磁コイル３１に通電されて磁力を発生する。
また、モータハウジング２には、図１に示す様に、励磁コイル３１への通電によって発生した磁力をクラッチ制御部まで誘導する磁気誘導継鉄３２が組み込まれている。この磁気誘導継鉄３２は、励磁コイル３１の外周に沿ってモータハウジング２を内厚方向（図示左右方向）に貫通する外周継鉄と、この外周継鉄の図示右端からモータハウジング２の外周面に沿って内径方向へ延設され、その内径端部が外輪２４の軸方向端面に当接する外面継鉄と、外周継鉄の図示左端からモータハウジング２の内周面に沿って内径方向へ延設され、その内径端部がすべり板３０に近接して配置される内面継鉄とで形成される。なお、クラッチ構成部の内輪２３と外輪２４は共に磁性体製である。

第三回転規制手段は、第一回転軸３と第二回転軸４とを直結する直結状態と、第一回転軸３と第二回転軸４との間を分離する遮断状態とに切り替えることができる。
この第三回転規制手段は、電磁石の磁力によって遮断状態を解除した後、第一回転軸３の軸動力を利用して直結状態へ移行する電磁式双方向クラッチ３３である。
この電磁式双方向クラッチ３３は、第二回転規制手段を構成する電磁式双方向クラッチ２２と基本的な構成は同じであるので、その説明は省略し、電磁式双方向クラッチ２２とは異なるクラッチ制御部への磁界の与え方について説明する。

まず、電磁式双方向クラッチ３３に使用される磁気誘導継鉄について説明する。
磁気誘導継鉄は、図１に示す様に、ステータ側に配置される外側継鉄３４と、ロータ側に配置される内側継鉄３５とに分割して設けられる。
外側継鉄３４は、モータハウジング２とステータ鉄心９ｂとの間に挟み込まれて軸方向に延設され、その先端（図示右端）から、通水孔１０が形成される一方のハウジング腕部の内面に沿って内径方向に延設され、更に、その内径端からステータ側（図示左側）へ軸方向に延びて設けられている。このステータ側へ軸方向に延びて設けられる部分を外側継鉄３４の内径端部と呼ぶ。
内側継鉄３５は、磁気誘導ロータ８を支持するハブ７に取り付けられ、径方向の外周端側が、外側継鉄３４の内径端部と空隙を有して対向配置され、径方向の内周端側がすべり板（符号なし）に近接して配置される。

電磁石は、図１に示される外側継鉄３４の断面コの字状を有する袋小路部に励磁コイル３６が配設され、外部より励磁コイル３６に通電されて磁力を発生する。
この電磁式双方向クラッチ３３には、励磁コイル３６に通電されると、外側継鉄３４と、ステータ鉄心９ｂと、磁気誘導ロータ８と、界磁ロータ６と、内側継鉄３５とを磁気通路として磁束が流れる。これにより、電磁式双方向クラッチ２２で説明した様に、クラッチ制御部が磁気に感応して作動する。その結果、第二回転軸４に固定された内輪３７と、第一回転軸３のハブ５に固定された外輪３８との間に回転差が生じると、外輪３８の内周面と内輪３７のカム面との間にコロ３９が食い込むことにより、内輪３７と外輪３８との相対回転が規制される。つまり、第一回転軸３と第二回転軸４とが直結される。

次に、本モータ１の磁気回路の基本的作動について図６〜図９を用いて説明する。
図６には、１６個の磁石１３を周方向に配列して構成される８極対の界磁ロータ６と、三相巻線（同図では巻線を省略している）を１２極対となるピッチで巻線されたステータ９と、界磁ロータ６とステータ９との間に２０個の軟磁性体８ａを周方向に一定の間隔で配列した磁気誘導ロータ８とが示されており、図解の便宜上、直線状に展開した一部を図示している。また、磁気誘導ロータ８は停止しているものとする。
界磁ロータ６が図示矢印方向に移動すると、磁気誘導ロータ８をフィルターとして界磁ロータ６からステータ９へ磁束が流れる。つまり、磁気誘導ロータ８は、２０個の磁気的良導体である軟磁性体８ａと、２０個の磁気的不導体である空間とが交互に存在しているため、界磁ロータ６の８極対の周波数成分と、磁気誘導ロータ８の２０極対の周波数成分との和または差の周波数成分が磁気誘導ロータ８を通り抜けてステータ９に流れる。

従って、ステータ９には、８極対の周波数成分と２０極対の周波数成分との和または差の周波数成分をキャッチする極対数の巻線、つまり２８極対または１２極対の多相巻線を設けると、界磁ロータ６および磁気誘導ロータ８との間で磁気的にエネルギをやり取りすることができる。すなわち、ステータ９と界磁ロータ６および磁気誘導ロータ８の三者に相互に電磁力が作用する磁気変調式モータとして機能する。
この原理を用いれば、公知の機械式遊星ギヤ機構のように作動することができる。このメカニズムを機械工学の分野で遊星ギヤ機構の説明の際に用いられる共線図を用いて説明する。

図７（ａ）は、界磁ロータ６の回転運動と、磁気誘導ロータ８の回転運動と、ステータ９の作る回転磁界とを示すものである。なお、界磁ロータ６の回転速度をωｎ、磁気誘導ロータ８の回転速度をωｋ、ステータ９の回転磁界の速度をωｍとする。
それぞれの回転速度は、同図（ｂ）に示す様に、所定比率の辺を持つ台形の斜辺をたどる直線上に並ぶ関係となる。この関係になる理由は、図６で説明した界磁ロータ６と磁気誘導ロータ８との周波数成分の差でステータ９が作動する構成としたことによる。すなわち、それぞれの回転速度と極対数との積が周波数成分に対応するので、それらの差を考えると、下記（１）式の関係が得られる。
ωｋ＝｛８／（１２＋８）｝×ωｎ＋｛１２／（１２＋８）｝×ωｍ
＝（２／５）×ωｎ＋（３／５）×ωｍ …………………………………（１）

上記（１）式の関係は、図中に示すそれぞれの回転速度が直線上に並ぶ関係になることを意味している。この関係を共線関係と称している。
ここで、磁気誘導ロータ８が停止している時の作動例を説明する。
この場合、ωｋ＝０となるため、ωｎ＝−（３／２）×ωｍとなる。
図８に示す共線図から、ステータ９の回転磁界と反対方向に界磁ロータ６を回す作動になることが分かる。
さらに、界磁ロータ６、磁気誘導ロータ８、および、ステータ９の極数をそれぞれ減らした簡易的なモデルを用いて磁気的な現象の視点で説明を加える。
図９は、極対数ｎ＝１の界磁ロータ６、極対数ｋ＝４の磁気誘導ロータ８、極対数ｍ＝３のステータ９とで構成されるモデルが示されており、同図（ａ）〜（ｅ）までステータ９の回転磁界を変化させた時の界磁ロータ６の回転角度の変化を示している。

まず、同図（ａ）の位置関係において、ステータ９に磁界が生じると、図中丸で囲んだ矢印で示す磁界の近傍に位置する磁気誘導ロータ８の軟磁性体８ａがＮ極に磁気誘導される。すると、その近傍にあった界磁ロータ６のＮ極はそれに反発して反時計回りに回転力を受ける。
次に、同図（ｂ）の位置関係に示す様に、ステータ９の磁界が少し時計回りに回転している時、磁気誘導ロータ８の軟磁性体８ａは、Ｎ極の極性が少し弱くなるものの、依然Ｎ極であり、界磁ロータ６は、磁気誘導ロータ８の軟磁性体８ａに対して完全に直交する関係にまで回転する。

さらに、同図（ｃ）の位置関係になると、界磁ロータ６のＮ極と対向していた軟磁性体８ａがＮ極に磁気誘導される関係となることから、界磁ロータ６は大きな反発力を受けて更に同方向（反時計回り）に回転する。
上記のように、磁気誘導ロータ８を固定してステータ９の回転磁界が移動すると、回転磁界の移動方向とは逆方向に界磁ロータ６が回転することが理解され、図８の共線図に示されるように、ステータ９の回転磁界の方向と界磁ロータ６の回転方向とが逆方向の関係となっていることが分かる。
続いて、本モータ１をハイブリッド車両に用いた場合の作動を車両状態の各モード毎に説明する。図１０は、車両状態の各モードと本モータ１の共線図との関係を示しており、これに基づいて説明する。

（エンジン始動）
図１０（ａ）の共線図に示す様に、第二回転軸４の逆転を電磁式双方向クラッチ２２にて規制し、且つ、ステータ９の回転磁界を逆方向に駆動すると、エンジンに正方向の回転力が与えられて、エンジンを始動することができる。
（エンジン始動後のアイドリング）
図１０（ｂ）の共線図に示す様に、エンジン始動後のアイドリング状態では、ステータ９の三相巻線に通電をしないことで、第二回転軸４は回転することがなく、無電力でアイドリング状態を維持することができる。

（ＨＶ加速）
図１０（ｃ）の共線図に示す様に、スロットルを開いてエンジン回転を上昇させると共にともに、ステータ９の回転磁界の速度をインバータ１５により上昇させると、磁気誘導ロータ８の回転速度、すなわち第二回転軸４の回転速度もそれらに応じて上昇する。
（エンジンのみで走行）
図１０（ｄ）の共線図に示す様に、電磁式双方向クラッチ３３を作動させて第一回転軸３と第二回転軸４とを直結する。具体的には、ステータ９の各相の通電電流において、同相（ゼロ相）成分を持たせた波形とする。これを短時間行う。これにより、電磁式双方向クラッチ３３のクラッチ構成部が直結状態に移行して、第一回転軸３と第二回転軸４とが直結される。第一回転軸３と第二回転軸４とが直結した後は、ステータ巻線９ｃへの通電を停止して、エンジンのみでの走行となる。ステータ巻線９ｃへの通電電流が無くても、電磁式双方向クラッチ３３のクラッチ構成部はコロ型であり、同一負荷方向の動力を受けている限り、第一回転軸３と第二回転軸４とが直結された状態を維持できる。

（モータのみでＥＶ走行）
図１０（ｅ）の共線図に示す様に、エンジンスロットルを絞ってエンジンを停止し、且つ、車輪側である第二回転軸４の回転速度に対して常に速い回転磁界をステータ９に生成する。これにより、エンジン側である第一回転軸３が第二回転軸４の回転方向と逆方向に回転する状態を形成できる。この時、実際には、一方向クラッチ１７によって第一回転軸３が逆回転することはなく、停止したままとなる。すなわち、ステータ９の回転磁界により、第二回転軸４のみが駆動される状態となり、本モータ１のみでのＥＶ走行が可能となる。

（エンジンを停めての回生制動）
図１０（ｆ）の共線図に示す様に、この場合も、第二回転軸４よりも速い回転磁界を維持する。この時、第一回転軸３は、一方向クラッチ１７によって動力回転方向と反対方向への回転が規制されるため、停止したままとなる。これにより、エンジンは停止した状態で、車輪軸の回生エネルギはステータ巻線９ｃを経由して電池Ｂ（図３参照）に有効に回生される。
（ＥＶ走行終盤にエンジンを再始動）
図１０（ｇ）の共線図に示す様に、車輪軸の回転数に見合わないゆっくりした速度にてステータ９の回転磁界を生成する、シーソーの様にエンジン回転数がゼロから正回転方向へと回転することになる。すなわち、走行しながらエンジンが再始動される。

（アイドル充電）
図１０（ｈ）の共線図に示す様に、電磁式双方向クラッチ２２により第二回転軸４の正回転方向への回転が規制される。この場合、ステータ９の回転磁界は逆方向に回転するが、発電は何の問題もなく行われる。
以上まとめると、本モータ１は、第一回転軸３と第二回転軸４の回転速度を自在に変速することができ、また、第一回転軸３と第二回転軸４とを直結したり遮断したりできる。更に、電動力を加えたり、第二回転軸４からの入力を受けて発電することもできる。すなわち、一つのコンパクトなモータでありながら、機械動力と電動力とを双方向に自在にコントロールすることができる。これにより、変速機能、動力の分割と合成機能、モータジェネレータ機能を持った複合機能モータにできるので、車両駆動系の簡素化、および、小型化を実現できる。

（実施例２）
この実施例２は、図１１に示す様に、実施例１に記載した電磁式双方向クラッチ３３の励磁コイル３６（図１参照）を廃止して、電磁式双方向クラッチ３３の作動時にステータ巻線９ｃを使用する一例である。
すなわち、図１２に示す様に、星型結線されたステータ巻線９ｃの中性点Ｏには、正負両側に半導体スイッチ素子４０が接続されており、三相端子Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏだけでなく、中性点Ｏからも電流が出入りできるように構成されている。
ステータ９の三相巻線には、図１３の実線で示される正負の総合がゼロである対称三相波電流に対し、同図に破線で示される様に、それぞれ直流分を加える、すなわち、ゼロ相分を与える。これにより、図１４のモデルに示されるように、ステータ９、磁気誘導ロータ８、電磁式双方向クラッチ３３、および、磁気誘導継鉄（外側継鉄３４と内側継鉄３５）のルートに図示破線で示す様な磁束が流れる。この磁束の流れが生じることで、クラッチ制御部が作動してクラッチ構成部が直結状態となる。すなわち、インバータ１５（図１２参照）の制御波形を変えることにより、電磁式双方向クラッチ３３を作動させることができる。

（実施例３）
この実施例３は、図１５（ａ）に示す様に、電磁式双方向クラッチ３３のクラッチ構成部に衝撃緩和手段として硬質ゴム系の緩衝部材４１を組み込んだ一例である。この緩衝部材４１を介在させることにより、急激なコロ３９の噛み合いや、それに伴うショックを緩和でき、クラッチ寿命を延命する効果の他、接続と遮断とが滑らかになるという作用効果がある。この緩衝部材４１は、同図（ｂ）に示す様に、周方向に多角形状に形成することで、衝撃が加わった時に緩衝部材４１が周方向に滑ることを防止できる効果がある。
なお、図１５は、電磁式双方向クラッチ３３を示しているが、電磁式双方向クラッチ２２または一方向クラッチ１７に緩衝部材４１を組み込むことも可能である。

（実施例４）
実施例１では、本発明の回転規制手段に転動体式クラッチの事例を説明したが、この実施例４に示す回転規制手段（ここでは第三回転規制手段）は、図１６に示す様に、内輪３７と外輪３８との間にコロ３９を配置し、このコロ３９が内輪３７と外輪３８との間に噛み込むことで内輪３７と外輪３８との相対回転を規制するコロ型電磁クラッチ４２と、このコロ型電磁クラッチ４２によって得られる回転力をカム４３により押圧力に変換し、その押圧力により複数の摩擦材を押圧して回転係止力を得る多板式クラッチ４４とを組み合わせた一例である。

詳述すると、コロ型電磁クラッチ４２が作動開始して内輪３７と外輪３８との相対回転が規制されると、第一回転軸３に対して軸方向に移動自在の溝付き押圧プレート４５が回転力を受け、第二回転軸４に対して軸方向に移動自在であり、且つ回転が規制された溝付き被押圧プレート４６との間に相対回転が生じる。すると、これらの押圧プレート４５、４６間に挟まれた円錐コロ型のカム４３が、両プレート４５、４６のカム面に乗り上げようとして、被押圧プレート４６が軸方向（図示左方向）に押圧される。その結果、皿バネ４７を介してドライブプレート４８が押圧され、ドリブンプレート４９に接触して摩擦力が働くことにより、第一回転軸３と第二回転軸４とが直結されて、共に回転を始めることになる。

上記の多板式クラッチ４４では、噛み合いが徐々に行われる特性があり、単純な電磁クラッチのオン／オフ制御でも滑らかな結合が得られる利点がある。また、軸動力を利用するクラッチであるので、一般の油圧ポンプで油圧を生成して持続的に油圧を使って結合するものとは異なり、常時、結合のためのエネルギを消費しない利点がこの方式でも得られる。また、一般の油圧ポンプで生成した油圧を持続的に使って結合するものとは異なり、大掛かりな配管や油圧回路が不要であるので、モータへの内蔵が容易であり、コンパクトにできるという効果もある。

（変形例）
実施例１に記載した本モータ１は、界磁ロータ６の外径側に磁気誘導ロータ８を配置しているが、両ロータ６、８の配置を逆にしても良い。すなわち、磁気誘導ロータ８を内径側に配置し、界磁ロータ６を外径側に配置しても良い。
さらに、実施例１では、ステータ９を両ロータ６、８の外径側に配置しているが、両ロータ６、８の内径側に配置する構成でも良い。

１ 本モータ（磁気変調式二軸モータ）
２ モータハウジング
３ 第一回転軸
４ 第二回転軸
６ 界磁ロータ（界磁回転子）
８ 磁気誘導ロータ（磁気誘導回転子）
８ａ 軟磁性体
９ ステータ（固定子）
９ｃ ステータ巻線（多相巻線）
１７ 一方向クラッチ（第一回転規制手段）
２２ 電磁式双方向クラッチ（第二回転規制手段）
３３ 電磁式双方向クラッチ（第三回転規制手段）

Claims (14)

1. Ｎ極とＳ極とを周方向に交互に配列した極対数ｎを有する界磁回転子（６）と、
   この界磁回転子（６）の外径側または内径側に空隙を有して同心に配置され、磁気導通路を形成するｋ個の軟磁性体（８ａ）を周方向に空間を空けて等ピッチに配列した磁気誘導回転子（８）と、
   前記界磁回転子（６）と前記磁気誘導回転子（８）とのうち、外径側に配置される回転子を一方の回転子、内径側に配置される回転子を他方の回転子と呼ぶ時に、前記一方の回転子の外径側または前記他方の回転子の内径側に空隙を有して同心に配置され、前記ｎと前記ｋとの和または差となる極対数の多相巻線を有する固定子（９）と、
   前記界磁回転子（６）を支持する第一回転軸（３）と、
   前記磁気誘導回転子（８）を支持する第二回転軸（４）と、
   前記第一回転軸（３）および前記第二回転軸（４）を回転可能に支持するハウジング（２）と、
   前記第一回転軸（３）が前記ハウジング（２）に対し一方向に回転することを許容し、他方向に回転することを規制する第一回転規制手段（１７）と、
   前記第二回転軸（４）が前記ハウジング（２）に対し一方向と他方向との双方向に回転することを許容する中立状態と、前記ハウジング（２）に対し前記一方向または前記他方向に回転することを規制するロック状態とを切り替えることができる第二回転規制手段（２２）とを備えることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
2. 請求項１に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
   前記第一回転軸（３）と前記第二回転軸（４）との間に配設され、前記第一回転軸（３）と前記第二回転軸（４）とを直結する直結状態と、前記第一回転軸（３）と前記第二回転軸（４）を分離する遮断状態とに切り替えることができる第三回転規制手段（３３）を備えることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
3. 請求項１または２に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
   前記第一回転規制手段（１７）は、前記第一回転軸（３）と一体に回転する内輪（１８）と、前記ハウジング（２）に固定される外輪（１９）と、前記内輪（１８）と前記外輪（１９）との間に配置される転動体（２０）とを有し、前記動力回転方向と逆方向の回転力が前記第一回転軸（３）に付与された際に、前記転動体（２０）が前記内輪（１８）と前記外輪（１９）との間に噛み込むことで、前記第一回転軸（３）が前記動力回転方向と逆方向に回転することを規制する一方向クラッチ（１７）であることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
4. 請求項１〜３に記載した何れか一つの磁気変調式二軸モータ（１）において、
   前記第二回転規制手段（２２）は、
   電磁石（３１）の磁力によって前記中立状態を解除した後、軸動力を利用して前記ロック状態へ移行する電磁式双方向クラッチ（２２）であることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
5. 請求項４に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
   前記電磁式双方向クラッチ（２２）は、
   前記電磁石（３１）の磁力によって前記中立状態を解除するクラッチ制御部と、
   前記電磁石（３１）に発生する磁力を前記クラッチ制御部へ誘導する磁気誘導継鉄（３２）とを備えることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
6. 請求項２に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
   前記第三回転規制手段（３３）は、
   電磁石（３６）の磁力によって前記遮断状態を解除した後、軸動力を利用して前記直結状態へ移行する電磁式双方向クラッチ（３３）であることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
7. 請求項６に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
   前記電磁式双方向クラッチ（３３）は、
   前記電磁石（３６）の磁力によって前記遮断状態を解除するクラッチ制御部と、
   前記電磁石（３６）に発生する磁力を前記クラッチ制御部へ誘導する磁気誘導継鉄とを備えることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
8. 請求項７に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
   前記クラッチ制御部によって前記遮断状態を解除する際に、前記固定子（９）を前記電磁石（３６）として利用することを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
9. 請求項８に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
   前記固定子（９）の多相巻線には、対称多相交流にゼロ相成分を乗せて通電することを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
10. 請求項１に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
    前記第一回転規制手段（１７）と前記第二回転規制手段（２２）との少なくとも一方には、回転規制時の衝撃を緩和する緩衝部材（４１）が組み込まれていることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
11. 請求項２に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
    前記第三回転規制手段（３３）には、前記第一回転軸（３）と前記第二回転軸（４）とを直結する時の衝撃を緩和する緩衝部材（４１）が組み込まれていることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
12. 請求項１に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
    前記第一回転規制手段（１７）と前記第二回転規制手段（２２）の少なくとも一方は、 内輪と外輪との間にコロを配置し、このコロが前記内輪と前記外輪との間に噛み込むことで前記内輪と前記外輪との相対回転を規制するコロ型電磁クラッチ（４２）と、
    このコロ型電磁クラッチ（４２）によって得られる回転力をカムにより押圧力に変換し、その押圧力により複数の摩擦板を押圧して回転係止力を得る多板式クラッチ（４４）とで構成されることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
13. 請求項２に記載した磁気変調式二軸モータ（１）において、
    前記第三回転規制手段（３３）は、
    内輪（３７）と外輪（３８）との間にコロ（３９）を配置し、このコロ（３９）が前記内輪（３７）と前記外輪（３８）との間に噛み込むことで前記内輪（３７）と前記外輪（３８）との相対回転を規制するコロ型電磁クラッチ（４２）と、
    このコロ型電磁クラッチ（４２）によって得られる回転力をカム（４３）により押圧力に変換し、その押圧力により複数の摩擦板（４８、４９）を押圧して回転係止力を得る多板式クラッチ（４４）とで構成されることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。
14. 請求項１〜１３に記載した何れか一つの磁気変調式二軸モータ（１）において、
    前記第一回転軸（３）は内燃機関の出力軸に連結され、
    前記第二回転軸（４）は車輪軸に連結され、
    前記第一回転規制手段（１７）は、前記第一回転軸（３）が前記内燃機関より伝達される動力の回転方向を動力回転方向と定義した時に、前記第一回転軸（３）が前記動力回転方向に回転することを許容する一方、前記動力回転方向と逆方向に回転することを規制し、
    前記第二回転規制手段（２２）は、前記車輪軸を前進回転させる前記第二回転軸（４）の回転方向を正回転方向と定義し、前記車輪軸を後進回転させる前記第二回転軸（４）の回転方向を逆回転方向と定義した時に、前記正回転方向と前記逆回転方向との双方向に前記第二回転軸（４）の回転を許容する中立状態と、前記正回転方向または前記逆回転方向に前記第二回転軸（４）の回転を規制するロック状態とを切り替えることができることを特徴とする磁気変調式二軸モータ。

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