JP2016213948A - Rotary electric machine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotary electric machine that is able to improve torque density by efficiently recovering a magnetic flux change of a slip frequency as field magnetic energy and generating electromagnetic torque by means of the recovered field magnetic energy.SOLUTION: In the rotary electric machine 100, an outer rotor 20 has a frequency difference induction coil Iim in which a magnetic flux of a frequency difference between the first frequency of the outer rotor and the second frequency of an inner rotor crosses an inside salient pole 22 provided on a side opposite the inner rotor 30. On the radial outer peripheral side of an outside salient 23 provided on a side opposite a stator 10, the outer rotor has a harmonic wave induction coil Is crossed by a harmonic wave included in a magnetic flux generated in the stator 10. On the radial inner peripheral side of an outside salient pole 23, the outer rotor has a field magnetic coil WF supplied with an electric current generated in the harmonic wave induction coil Is and the frequency difference induction coil Iim.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、アウタロータとインナロータとを有するダブルロータ形式の回転電機に関する。   The present invention relates to a double rotor type rotating electrical machine having an outer rotor and an inner rotor.

ハイブリッド車両等に搭載される回転電機として、アウタロータとインナロータとが同軸配置されたダブルロータ形式の回転電機が提案されている。   As a rotating electrical machine mounted on a hybrid vehicle or the like, a double rotor type rotating electrical machine in which an outer rotor and an inner rotor are coaxially arranged has been proposed.

従来、この種のダブルロータ形式の回転電機としては、特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1に記載の回転電機は、コイルが分布巻されたステータと、埋め込み磁石型ロータとして構成されたアウタロータと、巻線型誘導ロータとして構成されたインナロータとを備えている。   Conventionally, as this type of double-rotor type rotating electrical machine, one described in Patent Document 1 is known. The rotating electrical machine described in Patent Document 1 includes a stator in which coils are distributedly wound, an outer rotor configured as an embedded magnet type rotor, and an inner rotor configured as a winding type induction rotor.

この回転電機は、アウタロータとインナロータとが磁気カップリングにより結合されることで、インナロータに入力されたエンジン動力等の運動エネルギーを、磁気カップリング効果によってアウタロータに磁気エネルギーとして伝達できる。また、アウタロータは、磁気エネルギーを運動エネルギーとして出力軸に伝達することができる。   In this rotating electrical machine, the outer rotor and the inner rotor are coupled by magnetic coupling, so that kinetic energy such as engine power input to the inner rotor can be transmitted as magnetic energy to the outer rotor by a magnetic coupling effect. The outer rotor can transmit magnetic energy as kinetic energy to the output shaft.

特開2015−16740号公報JP 2015-16740 A

ここで、従来の回転電機は、ステータで発生した回転磁界に同期してアウタロータが回転するとき、アウタロータにおけるインナロータ側に配置された磁石は、静止座標系から観測すると回転磁界を発生させることになる。   Here, in the conventional rotating electrical machine, when the outer rotor rotates in synchronization with the rotating magnetic field generated in the stator, the magnet disposed on the inner rotor side of the outer rotor generates a rotating magnetic field when observed from the stationary coordinate system. .

そして、アウタロータに対してインナロータがすべりを伴って回転すると、アウタロータとインナロータとの周波数差により発生する「すべり周波数の磁束変動」がアウタロータに鎖交する。   When the inner rotor rotates with slip with respect to the outer rotor, “flux fluctuation of slip frequency” generated by the frequency difference between the outer rotor and the inner rotor is linked to the outer rotor.

しかしながら、このすべり周波数の磁束変動はインナロータに対して非同期成分であるため、すべり周波数の磁束変動が、アウタロータの鉄損や磁石渦電流損を増加させてしまう。   However, since the magnetic flux fluctuation at the slip frequency is an asynchronous component with respect to the inner rotor, the magnetic flux fluctuation at the slip frequency increases the iron loss and magnet eddy current loss of the outer rotor.

また、すべり周波数の磁束変動は、無効エネルギーとなるため、力率を低下させてしまう。力率が低下すると、トルク/電圧比が悪化するため、有限の直流電圧制限下においては、電圧制限の都合により、可変速トルク特性が低下してしまうといったことが起こる。   Moreover, since the magnetic flux fluctuation | variation of a slip frequency becomes reactive energy, it will reduce a power factor. When the power factor is lowered, the torque / voltage ratio is deteriorated. Therefore, under the limited DC voltage limit, the variable speed torque characteristic may be lowered due to the limitation of the voltage.

そこで、本発明は、アウタロータとインナロータとの間で発生するすべり周波数の磁束変動を界磁エネルギーとして効率的に回収し、回収した界磁エネルギーにより電磁石トルクを発生してトルク密度を向上させることができる回転電機を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention can efficiently recover the magnetic flux fluctuation of the slip frequency generated between the outer rotor and the inner rotor as field energy, and generate the electromagnet torque by the recovered field energy to improve the torque density. The object is to provide a rotating electrical machine that can be used.

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、交流電流の供給により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記ステータよりも回転軸側に設けられ、前記磁束の鎖交により第1の周波数で回転する第1のロータと、前記第1のロータよりも前記回転軸側に設けられ、前記第1の周波数とは異なる第2の周波数で回転する第2のロータとを有する回転電機であって、前記第1のロータは、前記第2のロータと対向する側に設けられた内側突極に、前記第1の周波数と前記第2の周波数との周波数差の磁束が鎖交する周波数差用誘導コイルを有し、前記ステータと対向する側に設けられた外側突極の径方向外周側に、前記ステータにおいて発生した磁束に含まれる高調波が鎖交する高調波用誘導コイルを有し、前記外側突極の径方向内周側に、前記高調波用誘導コイル及び前記周波数差用誘導コイルで発生した電流が供給される界磁コイルを有するものから構成される。   According to one aspect of the invention of a rotating electrical machine that solves the above-described problem, a stator having an armature coil that generates a magnetic flux by supplying an alternating current and a rotating shaft side of the stator are provided, and the first is achieved by interlinking of the magnetic flux. A rotating electrical machine having a first rotor that rotates at a frequency different from the first rotor and a second rotor that is provided closer to the rotating shaft than the first rotor and rotates at a second frequency different from the first frequency. In the first rotor, a magnetic flux having a frequency difference between the first frequency and the second frequency is linked to an inner salient pole provided on the side facing the second rotor. A harmonic induction coil having a frequency difference induction coil and having harmonics included in the magnetic flux generated in the stator interlink on the radially outer peripheral side of the outer salient pole provided on the side facing the stator. A diameter of the outer salient pole The Mukonai circumferential side, and a material having a magnetic coil field current generated by the harmonic induction coil and the induction coil the frequency difference is supplied.

このように本発明によれば、アウタロータとインナロータとの間で発生するすべり周波数の磁束変動を界磁エネルギーとして効率的に回収し、回収した界磁エネルギーにより電磁石トルクを発生してトルク密度を向上させることができる。   As described above, according to the present invention, the magnetic flux fluctuation of the slip frequency generated between the outer rotor and the inner rotor is efficiently recovered as field energy, and electromagnetic torque is generated by the recovered field energy to improve the torque density. Can be made.

図1は、本発明の一実施形態に係る回転電機の構成を示す図であり、回転電機を回転軸の直交面で切断した断面図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of the rotating electrical machine cut along a plane orthogonal to a rotating shaft. 図2は、本発明の一実施形態に係る回転電機の構成を示す図であり、回転電機の詳細を示す断面図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view illustrating details of the rotating electrical machine. 図3は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、アウタロータに設けられる全波整流回路を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a full-wave rectifier circuit provided in an outer rotor. 図4は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、回転電機を備えたハイブリッド駆動システムの構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a configuration of a hybrid drive system including the rotating electrical machine. 図5は、比較例としての磁気変調形の磁石フリー磁気ギヤモータの構成を有する回転電機の共線図である。FIG. 5 is a collinear diagram of a rotating electrical machine having a configuration of a magnetic modulation type magnet-free magnetic gear motor as a comparative example. 図6は、比較例としての磁気変調形の磁石フリー磁気ギヤモータの構成を有する回転電機の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a rotating electrical machine having a configuration of a magnetic modulation type magnet-free magnetic gear motor as a comparative example. 図7は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、回転電機の共線図である。FIG. 7 is a view showing a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a collinear diagram of the rotating electrical machine. 図8は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、回転電機において磁気カップリング効果が発生する状態を示す断面図である。FIG. 8 is a view showing a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view showing a state where a magnetic coupling effect is generated in the rotating electrical machine. 図9は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータのすべりが正のときの回転電機の共線図である。FIG. 9 is a diagram illustrating the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention, and is a collinear diagram of the rotating electrical machine when the slip of the inner rotor is positive. 図10は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータのすべりが正のときの回転電機の磁束密度を示す断面図である。FIG. 10 is a view showing the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view showing the magnetic flux density of the rotating electrical machine when the slip of the inner rotor is positive. 図11は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータのすべりが負のときの回転電機の共線図である。FIG. 11 is a diagram illustrating the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention, and is a collinear diagram of the rotating electrical machine when the slip of the inner rotor is negative. 図12は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータのすべりが負のときの回転電機の磁束密度を示す断面図である。FIG. 12 is a view showing the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view showing the magnetic flux density of the rotating electrical machine when the slip of the inner rotor is negative. 図13は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータの速度に対するアウタロータの可変速トルク特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a variable speed torque characteristic of the outer rotor with respect to the speed of the inner rotor. 図14は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータとアウタロータのすべりが小さいときの回転電機の磁束密度を示す断面図である。FIG. 14 is a diagram illustrating the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view illustrating the magnetic flux density of the rotating electrical machine when the slip between the inner rotor and the outer rotor is small. 図15は、インナロータのすべりが図14の状態のときのロータ電流の変化を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a change in rotor current when the slip of the inner rotor is in the state shown in FIG. 図16は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータとアウタロータのすべりが大きいときの回転電機の磁束密度を示す断面図である。FIG. 16 is a diagram illustrating the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view illustrating the magnetic flux density of the rotating electrical machine when the slip between the inner rotor and the outer rotor is large. 図17は、インナロータのすべりが図16の状態のときのロータ電流の変化を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing a change in rotor current when the slip of the inner rotor is in the state shown in FIG. 図18は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータのすべりが0の状態において二次励磁ありのときの回転電機の磁束密度を示す断面図である。FIG. 18 is a diagram illustrating a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view illustrating the magnetic flux density of the rotating electrical machine when secondary excitation is performed when the slip of the inner rotor is zero. 図19は、図18の状態の回転電機におけるロータ電流を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the rotor current in the rotating electrical machine in the state of FIG. 図20は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータのすべりが0の状態において二次励磁なしのときの回転電機の磁束密度を示す断面図である。FIG. 20 is a diagram illustrating a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view illustrating the magnetic flux density of the rotating electrical machine when secondary excitation is not performed when the slip of the inner rotor is zero. 図21は、図20の状態の回転電機におけるロータ電流を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing a rotor current in the rotating electrical machine in the state of FIG. 図22は、図18の二次励磁ありの状態と図20の二次励磁なしの状態の回転電機におけるトルクを比較する図である。FIG. 22 is a diagram comparing the torque in the rotating electrical machine in the state with secondary excitation in FIG. 18 and the state without secondary excitation in FIG.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図1〜図22は本発明の一実施形態に係る回転電機を説明する図である。
〈回転電機の概略構成〉
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIGS. 1-22 is a figure explaining the rotary electric machine which concerns on one Embodiment of this invention.
<Schematic configuration of rotating electrical machine>

図1において、回転電機100は、ダブルロータ形式の回転電機として構成されており、円筒形状に形成されたステータ10と、このステータ10よりも回転軸100c側に設けられた第1のロータとしてのアウタロータ20と、このアウタロータ20よりも回転軸100c側に設けられた第2のロータとしてのインナロータ30とを備えている。アウタロータ20およびインナロータ30は、回転軸100cを回転中心として相対回転可能にそれぞれ支持されている。
〈回転電機の詳細構成〉
In FIG. 1, a rotating electrical machine 100 is configured as a double rotor type rotating electrical machine, and has a stator 10 formed in a cylindrical shape and a first rotor provided on the rotating shaft 100 c side from the stator 10. The outer rotor 20 and an inner rotor 30 as a second rotor provided on the rotating shaft 100c side with respect to the outer rotor 20 are provided. The outer rotor 20 and the inner rotor 30 are supported so as to be relatively rotatable about the rotation shaft 100c as a rotation center.
<Detailed configuration of rotating electrical machine>

図2において、ステータ10は、ステータコア11と、電機子コイル14とを備えている。ここで、図2は機械角360度のうちの60度分(1/6)の径方向断面図を示している。   In FIG. 2, the stator 10 includes a stator core 11 and an armature coil 14. Here, FIG. 2 shows a radial sectional view of 60 degrees (1/6) of the mechanical angle of 360 degrees.

ステータコア11の内周側、すなわちアウタロータ20と対向する側には、複数のステータティース12が形成されており、このステータティース12は、回転軸100cに向かう径方向に延伸され、かつ、周方向に等間隔で並べて配置されている。   A plurality of stator teeth 12 are formed on the inner peripheral side of the stator core 11, that is, the side facing the outer rotor 20, and the stator teeth 12 are extended in the radial direction toward the rotary shaft 100c and are extended in the circumferential direction. They are arranged side by side at equal intervals.

互いに隣り合うステータティース12の側面で挟まれた凹部は、スロット13を構成している。スロット13には、三相交流のW相、V相、U相に対応する電機子コイル14が納められている。   The recesses sandwiched between the side surfaces of the stator teeth 12 adjacent to each other constitute a slot 13. The slot 13 houses armature coils 14 corresponding to the three-phase AC W-phase, V-phase, and U-phase.

電機子コイル14は、ステータティース12に集中巻により巻き回されている。電機子コイル14は、3相の交流電流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生する。   The armature coil 14 is wound around the stator tooth 12 by concentrated winding. The armature coil 14 generates a rotating magnetic field that rotates in the circumferential direction when supplied with a three-phase alternating current.

アウタロータ20は、自励式巻線型界磁ロータとして構成されており、ロータヨーク21、界磁コイルWF、周波数差用誘導コイルIim、および高調波用誘導コイルIsを備えている。   The outer rotor 20 is configured as a self-excited wire wound field rotor, and includes a rotor yoke 21, a field coil WF, a frequency difference induction coil Iim, and a harmonic induction coil Is.

ロータヨーク21は、透磁率の高い鋼材などの磁性体からなり、内部に磁路を形成する。ロータヨーク21の内周側、すなわちインナロータ30と対向する側には、複数の内側突極22が設けられており、この内側突極22は、周方向に等間隔で配置されている。内側突極22の内周面は、エアギャップG2を介して、インナロータ30の後述するロータティース32の外周面に対向している。   The rotor yoke 21 is made of a magnetic material such as steel having a high magnetic permeability, and forms a magnetic path therein. A plurality of inner salient poles 22 are provided on the inner circumferential side of the rotor yoke 21, that is, the side facing the inner rotor 30, and the inner salient poles 22 are arranged at equal intervals in the circumferential direction. The inner peripheral surface of the inner salient pole 22 is opposed to the outer peripheral surface of a rotor tooth 32 (described later) of the inner rotor 30 via the air gap G2.

互いに隣り合う内側突極22の側面で挟まれた凹部は、内側スロット25を構成している。内側スロット25には、周波数差用誘導コイルIimが納められている。周波数差用誘導コイルIimは内側突極22に集中巻で巻き回されている。周波数差用誘導コイルIimには、後述する第1の周波数F1[Hz]と第2の周波数F2[Hz]との周波数差の磁束が鎖交する。   The recesses sandwiched between the side surfaces of the inner salient poles 22 adjacent to each other constitute an inner slot 25. The inner slot 25 stores a frequency difference induction coil Iim. The frequency difference induction coil Iim is wound around the inner salient pole 22 by concentrated winding. A magnetic flux having a frequency difference between a first frequency F1 [Hz] and a second frequency F2 [Hz], which will be described later, is linked to the frequency difference induction coil Iim.

ロータヨーク21の外周側、すなわちステータ10と対向する側には、複数の外側突極23が設けられており、この外側突極23は、周方向に等間隔で配置されている。外側突極23の外周面は、エアギャップG1を介して、ステータ10のステータティース12の内周面に対向している。互いに隣り合う外側突極23の側面で挟まれた凹部は、外側スロット24を構成している。   A plurality of outer salient poles 23 are provided on the outer circumferential side of the rotor yoke 21, that is, the side facing the stator 10, and the outer salient poles 23 are arranged at equal intervals in the circumferential direction. The outer peripheral surface of the outer salient pole 23 faces the inner peripheral surface of the stator teeth 12 of the stator 10 via the air gap G1. The recesses sandwiched between the side surfaces of the outer salient poles 23 adjacent to each other constitute an outer slot 24.

このように、アウタロータ20のロータヨーク21は、ステータ10に対向するエアギャップG1側の面と、インナロータ30に対向するエアギャップG2側の面の両面において、突極構造を有している。内側突極22および外側突極23は、ロータヨーク21で磁路が形成されている。   Thus, the rotor yoke 21 of the outer rotor 20 has a salient pole structure on both the air gap G1 side surface facing the stator 10 and the air gap G2 side surface facing the inner rotor 30. The inner salient pole 22 and the outer salient pole 23 have a magnetic path formed by the rotor yoke 21.

外側スロット24には高調波用誘導コイルIsおよび界磁コイルWFが納められている。高調波用誘導コイルIsは、外側突極23の外周側に集中巻で巻き回されている。高調波用誘導コイルIsには、ステータ10で発生した磁束に含まれる高調波が鎖交する。   The outer slot 24 accommodates a harmonic induction coil Is and a field coil WF. The harmonic induction coil Is is wound around the outer periphery of the outer salient pole 23 by concentrated winding. The harmonics included in the magnetic flux generated in the stator 10 are linked to the harmonic induction coil Is.

界磁コイルWFは、外側突極23の内周側に集中巻で巻き回されている。界磁コイルWFには、高調波用誘導コイルIs及び周波数差用誘導コイルIimで発生した交流電流が、後述する全波整流回路C(図3参照)によって直流電流に整流されて供給される。   The field coil WF is wound around the inner periphery of the outer salient pole 23 by concentrated winding. The AC current generated in the harmonic induction coil Is and the frequency difference induction coil Iim is rectified and supplied to the field coil WF by a full-wave rectifier circuit C (see FIG. 3) described later.

アウタロータ20は、ステータ10に供給される交流電流の周波数と同期する第1の周波数F1で回転する。   The outer rotor 20 rotates at a first frequency F <b> 1 that is synchronized with the frequency of the alternating current supplied to the stator 10.

図2において、隣り合う内側突極22に巻き回された2つの周波数差用誘導コイルIimをIim1、Iim2とする。また、隣り合う外側突極23の径方向外周側に巻き付けられた2つの高調波用誘導コイルIsをIs1、Is2とする。また、隣り合う外側突極23の径方向内周側に巻き付けられた2つの界磁コイルWFをWF1、WF2とする。   In FIG. 2, two frequency difference induction coils Iim wound around adjacent inner salient poles 22 are denoted as Iim1 and Iim2. Further, two harmonic induction coils Is wound around the radially outer peripheral side of the adjacent outer salient poles 23 are denoted by Is1 and Is2. Further, two field coils WF wound around the radially inner peripheral side of the adjacent outer salient poles 23 are denoted as WF1 and WF2.

アウタロータ20は、図3に示す全波整流回路Cを備えている。図3において、全波整流回路Cは、高調波用全波整流回路C1と、周波数差用全波整流回路C2と、界磁コイルWF1、WF2とから形成されている。   The outer rotor 20 includes a full-wave rectifier circuit C shown in FIG. In FIG. 3, the full-wave rectifier circuit C is composed of a full-wave rectifier circuit C1 for harmonics, a full-wave rectifier circuit C2 for frequency difference, and field coils WF1 and WF2.

高調波用全波整流回路C1は、高調波用誘導コイルIs1、Is2とダイオードD1、D2とを直列に接続したものからなる。   The harmonic full-wave rectifier circuit C1 is formed by connecting harmonic induction coils Is1 and Is2 and diodes D1 and D2 in series.

周波数差用全波整流回路C2は、周波数差用誘導コイルIim1、Iim2とダイオードD1、D2とを直列に接続したものからなる。   The frequency difference full-wave rectifier circuit C2 is formed by connecting frequency difference induction coils Iim1 and Iim2 and diodes D1 and D2 in series.

界磁コイルWF1と界磁コイルWF2とは直列に接続されている。高調波用全波整流回路C1と周波数差用全波整流回路C2は、並列に界磁コイルWF1および界磁コイルWF2に接続されている。   The field coil WF1 and the field coil WF2 are connected in series. The harmonic full-wave rectifier circuit C1 and the frequency difference full-wave rectifier circuit C2 are connected in parallel to the field coil WF1 and the field coil WF2.

全波整流回路Cは、高調波用誘導コイルIs(Is1、Is2)及び周波数差用誘導コイルIim(Iim1、Iim2)で発生した交流電流を直流電流に整流して界磁コイルWF(WF1、WF2)に供給する。   The full-wave rectifier circuit C rectifies the alternating current generated in the harmonic induction coil Is (Is1, Is2) and the frequency difference induction coil Iim (Iim1, Iim2) into a direct current, and field coils WF (WF1, WF2). ).

インナロータ30は、巻線形誘導ロータとして構成されており、ロータコア31と、励磁コイル34とを備えている。   The inner rotor 30 is configured as a winding induction rotor and includes a rotor core 31 and an excitation coil 34.

ロータコア31の外周側、すなわちアウタロータ20に対向する側には、複数のロータティース32が形成されており、このロータティース32は、回転軸100cから遠ざかる方向に延伸され、かつ、周方向に等間隔で配置されている。   A plurality of rotor teeth 32 are formed on the outer peripheral side of the rotor core 31, that is, the side facing the outer rotor 20. The rotor teeth 32 are extended in a direction away from the rotation shaft 100 c and are equally spaced in the circumferential direction. Is arranged in.

互いに隣り合うロータティース32の側面で挟まれた凹部は、スロット33を構成している。スロット33には、三相交流の各相に対応する励磁コイル34が納められている。   The recesses sandwiched between the side surfaces of the adjacent rotor teeth 32 constitute a slot 33. In the slot 33, excitation coils 34 corresponding to the respective phases of the three-phase alternating current are accommodated.

励磁コイル34は、ロータティース32に分布巻で巻き回されている。励磁コイル34は、交流電流の供給により二次励磁され、磁束を発生させる。励磁コイル34は、鎖交する磁束密度が変化することで誘導電流を発生(誘起)する。ロータティース32の外周面は、エアギャップG2を介して、アウタロータ20のロータヨーク21の内周面に対向している。インナロータ30は、アウタロータ20と相対回転可能に支持されているため、アウタロータ20の第1の周波数F1とは異なる第2の周波数F2で回転する。第2の周波数F2は、ステータ10に供給される交流電流の周波数(F1)と非同期の周波数である。   The exciting coil 34 is wound around the rotor tooth 32 by distributed winding. The exciting coil 34 is secondarily excited by supplying an alternating current to generate a magnetic flux. The exciting coil 34 generates (induces) an induced current when the interlinkage magnetic flux density changes. The outer peripheral surface of the rotor teeth 32 faces the inner peripheral surface of the rotor yoke 21 of the outer rotor 20 through the air gap G2. Since the inner rotor 30 is supported so as to be rotatable relative to the outer rotor 20, the inner rotor 30 rotates at a second frequency F2 different from the first frequency F1 of the outer rotor 20. The second frequency F2 is a frequency asynchronous with the frequency (F1) of the alternating current supplied to the stator 10.

ここで、回転電機100において、ステータ10と、アウタロータ20の突極とのポールコンビネーションは、極:スロットが2:3となっている。すなわち、回転電機100は、アウタロータ20側の外側突極23の数P:ステータ10側のスロット13の数Sが2:3になるように構成されている。   Here, in the rotating electrical machine 100, the pole combination of the stator 10 and the salient pole of the outer rotor 20 has a pole: slot of 2: 3. That is, the rotating electrical machine 100 is configured such that the number P of the outer salient poles 23 on the outer rotor 20 side and the number S of the slots 13 on the stator 10 side are 2: 3.

これにより、機械角360度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、アウタロータ20をステータ10内で高品質に回転させることができる。空間高調波磁束を利用して、回転動作させることができるため、損失エネルギーを効率よく回収して、電磁振動を大幅に低減し静寂性高く回転させることができる。   Thereby, magnetic fluxes having a uniform density distribution can be linked over the entire circumference of the mechanical angle of 360 degrees, and the outer rotor 20 can be rotated in the stator 10 with high quality. Since the rotating operation can be performed using the spatial harmonic magnetic flux, the loss energy can be efficiently recovered, the electromagnetic vibration can be greatly reduced, and the rotating can be performed with high silence.

また、インナロータ30のロータティース数(ロータティース32の数)は、極数をPとしたときに、6×Pとなるのが好ましい。本実施形態の回転電機100は、極数Pが12であり、ロータティース数を6×12=72としている。   The number of rotor teeth of the inner rotor 30 (number of rotor teeth 32) is preferably 6 × P, where P is the number of poles. In the rotating electrical machine 100 of the present embodiment, the number of poles P is 12, and the number of rotor teeth is 6 × 12 = 72.

すなわち、インナロータ30は、極数の6倍のスロット数を形成するロータティース32に励磁コイル34が分布巻で巻き回されている。このような分布巻によってコイルピッチが確保されて、励磁コイル34に鎖交する磁束量を増やし、トルク密度を向上させることができる。   That is, in the inner rotor 30, the exciting coil 34 is wound in distributed winding around a rotor tooth 32 that forms a slot number that is six times the number of poles. The coil pitch is secured by such distributed winding, the amount of magnetic flux interlinking with the exciting coil 34 can be increased, and the torque density can be improved.

上記の構造とすることで、エンジン出力をモータ間の磁気カップリングにより、インナロータ30からアウタロータ20に伝達できる。
〈本実施形態の回転電機を適用したハイブリッド駆動システム〉
With the above structure, the engine output can be transmitted from the inner rotor 30 to the outer rotor 20 by magnetic coupling between the motors.
<Hybrid drive system using the rotating electrical machine of this embodiment>

図4において、回転電機100は、エンジン201、ドライブシャフト202および駆動回路250とともに、ハイブリッド駆動システム200を構成している。   In FIG. 4, the rotating electrical machine 100 constitutes a hybrid drive system 200 together with an engine 201, a drive shaft 202, and a drive circuit 250.

インナロータ30の出力軸30Aはエンジン201に連結されており、インナロータ30はエンジン201と一体回転する。アウタロータ20の出力軸20Aはドライブシャフト202に連結されており、アウタロータ20はドライブシャフト202と一体回転する。インナロータ30の出力軸30Aには、三相交流の各相に対応するスリップリング39が一体回転可能に設けられている。   The output shaft 30A of the inner rotor 30 is connected to the engine 201, and the inner rotor 30 rotates integrally with the engine 201. The output shaft 20 </ b> A of the outer rotor 20 is connected to the drive shaft 202, and the outer rotor 20 rotates integrally with the drive shaft 202. A slip ring 39 corresponding to each phase of the three-phase alternating current is provided on the output shaft 30A of the inner rotor 30 so as to be integrally rotatable.

駆動回路250は、バッテリ251、インバータ252およびインバータ253から構成されている。バッテリ251は、二次電池からなり、インバータ252およびインバータ253にそれぞれ接続されている。   The drive circuit 250 includes a battery 251, an inverter 252, and an inverter 253. The battery 251 includes a secondary battery, and is connected to the inverter 252 and the inverter 253, respectively.

インバータ252は、ステータ10の電機子コイル14に接続されている。インバータ252は、バッテリ251から取り出した直流の電気を三相交流電流に変換し、その三相交流電流を電機子コイル14に供給する。   The inverter 252 is connected to the armature coil 14 of the stator 10. The inverter 252 converts the direct current electricity extracted from the battery 251 into a three-phase alternating current, and supplies the three-phase alternating current to the armature coil 14.

インバータ253は、スリップリング39を介してインナロータ30の励磁コイル34に接続されている。インバータ253は、バッテリ251から取り出した直流の電気を三相交流電流に変換し、その三相交流電流を励磁コイル34に供給する。   The inverter 253 is connected to the exciting coil 34 of the inner rotor 30 via the slip ring 39. The inverter 253 converts the direct current electricity extracted from the battery 251 into a three-phase alternating current and supplies the three-phase alternating current to the exciting coil 34.

インナロータ30は、インバータ253から供給される交流電流により二次励磁される。なお、インナロータ30を二次励磁させる構造としては、ブラシレス二次励磁構造であってもよい。ブラシレス二次励磁構造では、図示省力するが、バッテリ251からの直流により図示しないFSMを励磁してインナロータ30上に自身の回転周波数で変動する正弦波状の磁束を発生させる。
〈本実施形態の回転電機と、比較例としての磁気変調形磁石フリー磁気ギヤモータとの共線図における比較〉
The inner rotor 30 is secondarily excited by the alternating current supplied from the inverter 253. Note that the structure for secondary excitation of the inner rotor 30 may be a brushless secondary excitation structure. In the brushless secondary excitation structure, although not shown, the FSM (not shown) is excited by a direct current from the battery 251 to generate a sinusoidal magnetic flux that fluctuates at its rotational frequency on the inner rotor 30.
<Comparison in collinear diagram of rotating electrical machine of this embodiment and magnetic modulation type magnet free magnetic gear motor as comparative example>

図5、図6は、比較例としての磁気変調形磁気ギヤモータの共線図および構成図をそれぞれ示す。また、図7、図8は、本実施形態の回転電機100の共線図および構成図をそれぞれ示す。   5 and 6 show a collinear diagram and a configuration diagram of a magnetic modulation type magnetic gear motor as a comparative example, respectively. 7 and 8 show an alignment chart and a configuration diagram of the rotating electrical machine 100 of the present embodiment, respectively.

図8に示すように、回転電機100は、インナロータ30の励磁コイル34に第2の周波数F2の三相交流が供給されている。励磁コイル34は、第2の周波数F2の三相交流により二次励磁される。   As shown in FIG. 8, in the rotating electrical machine 100, the three-phase alternating current having the second frequency F <b> 2 is supplied to the exciting coil 34 of the inner rotor 30. The exciting coil 34 is secondarily excited by a three-phase alternating current having the second frequency F2.

図6に示すように、磁気変調形磁気ギヤモータ300は、ステータ310と、変調子320と、巻線型界磁ロータ330とを備える磁石フリー型モータとして構成されている。ステータ310には、軸心に向かう径方向に延伸されている複数本のステータティース311が周方向に並列されている。ステータ310には、ステータティース311の側面間をスロット312として、電機子コイル313が分布巻により巻き回されている。変調子320は、透磁率の高い鋼材などの軟磁性体からなる角柱状の磁路部材321が軸方向に延伸されて周方向に並列されており、所謂、カゴ型モータのロータの形態に形成されている。すなわち、変調子320は、磁束を良く通す磁路部材321と、磁束を通さない空隙322とを周方向に交互に位置したものからなる。これにより、変調子320がステータ310に対して相対回転する際に、磁束を通過させる磁路部材321と磁束の通過を制限する空隙322とが繰り返し切り換えられて磁気回路を形成する。巻線型界磁ロータ330には、径方向外側に誘導コイル334が設けられ、径方向内側に励磁コイル335が設けられている。このような磁気変調形磁気ギヤモータ300では、図5に示すように、ステータ310、巻線型界磁ロータ330、変調子320が全て非同期回転している。   As shown in FIG. 6, the magnetic modulation type magnetic gear motor 300 is configured as a magnet-free type motor including a stator 310, a modulator 320, and a wound type field rotor 330. In the stator 310, a plurality of stator teeth 311 extending in the radial direction toward the axial center are arranged in parallel in the circumferential direction. An armature coil 313 is wound around the stator 310 by distributed winding with the slots 312 between the side surfaces of the stator teeth 311. The modulator 320 has a prismatic magnetic path member 321 made of a soft magnetic material such as a steel material having a high magnetic permeability and is extended in the axial direction and arranged in parallel in the circumferential direction, and is formed in the form of a rotor of a so-called cage motor. Has been. That is, the modulator 320 is formed by alternately arranging magnetic path members 321 that allow magnetic flux to pass through and gaps 322 that do not pass magnetic flux in the circumferential direction. As a result, when the modulator 320 rotates relative to the stator 310, the magnetic path member 321 through which the magnetic flux passes and the gap 322 that restricts the passage of the magnetic flux are repeatedly switched to form a magnetic circuit. The coiled field rotor 330 is provided with an induction coil 334 on the radially outer side and an excitation coil 335 on the radially inner side. In such a magnetic modulation type magnetic gear motor 300, as shown in FIG. 5, the stator 310, the wound field rotor 330, and the modulator 320 all rotate asynchronously.

一方で、本実施形態の回転電機100では、図7に示すように、ステータ10による回転磁界とアウタロータ20とが同期回転している。また、この回転電機100では、インナロータ30が、アウタロータ20またはステータ10に対して、非同期回転している。
〈回転電機の駆動モードの一例〉
On the other hand, in the rotating electrical machine 100 of the present embodiment, as shown in FIG. 7, the rotating magnetic field generated by the stator 10 and the outer rotor 20 are rotated synchronously. In the rotating electrical machine 100, the inner rotor 30 rotates asynchronously with respect to the outer rotor 20 or the stator 10.
<Example of drive mode of rotating electrical machine>

回転電機100は、アウタロータ20とインナロータ30のそれぞれの出力軸が独立した構造となっている。   The rotating electrical machine 100 has a structure in which the output shafts of the outer rotor 20 and the inner rotor 30 are independent.

このため、図9、図10に示すように、回転電機100は、インナロータ30を、回転磁界に対して遅れて回転する状態、すなわちすべりが正の状態となるように駆動させることができる。図9、図10において、ステータ10とアウタロータ20は同期回転している。また、インナロータ30は、ステータ10の回転磁界およびアウタロータ20に対して低い速度で非同期回転している。   For this reason, as shown in FIGS. 9 and 10, the rotating electrical machine 100 can drive the inner rotor 30 so that the inner rotor 30 rotates with a delay with respect to the rotating magnetic field, that is, the slip is positive. 9 and 10, the stator 10 and the outer rotor 20 are rotated synchronously. Further, the inner rotor 30 rotates asynchronously with the rotating magnetic field of the stator 10 and the outer rotor 20 at a low speed.

また、図11、図12に示すように、回転電機100は、インナロータ30を、回転磁界に対して進んで回転する状態、すなわちすべりが負の状態となるように駆動させることができる。図11、図12において、ステータ10とアウタロータ20は同期回転している。また、インナロータ30は、ステータ10の回転磁界およびアウタロータ20に対して速い速度で非同期回転している。なお、図10、図12において、アウタロータ20およびインナロータ30は、反時計方向に回転している。
〈インナロータに対するアウタロータの可変速トルク特性〉
Moreover, as shown in FIGS. 11 and 12, the rotating electrical machine 100 can drive the inner rotor 30 such that the inner rotor 30 is rotated forward with respect to the rotating magnetic field, that is, the slip is in a negative state. 11 and 12, the stator 10 and the outer rotor 20 are rotated in synchronization. Further, the inner rotor 30 is asynchronously rotated at a high speed with respect to the rotating magnetic field of the stator 10 and the outer rotor 20. 10 and 12, the outer rotor 20 and the inner rotor 30 are rotated counterclockwise.
<Variable speed torque characteristics of the outer rotor relative to the inner rotor>

図13に示すように、回転電機100は、インナロータ30の回転速度をアウタロータ20より速くする(すべりsが負の状態にする)ことで、インナロータ30の運動エネルギーを磁気カップリング効果によりアウタロータ20に伝達することができる。言い換えると、インナロータ30からアウタロータ20に、磁気カップリング効果によるトルク、すなわち磁気カップリングトルクを伝達することができる。   As shown in FIG. 13, the rotating electrical machine 100 makes the rotational speed of the inner rotor 30 faster than the outer rotor 20 (the slip s is in a negative state), so that the kinetic energy of the inner rotor 30 is transferred to the outer rotor 20 by a magnetic coupling effect. Can communicate. In other words, torque due to the magnetic coupling effect, that is, magnetic coupling torque can be transmitted from the inner rotor 30 to the outer rotor 20.

ここで、永久磁石をアウタロータに用いた従来の回転電機においては、すべり周波数の磁束変動は損失となっていた。これに対し、本実施形態の回転電機100では、アウタロータ20に巻かれた周波数差用誘導コイルIimによって、すべり周波数の磁束変動を界磁エネルギーとして効率的に回収し、回収した界磁エネルギーにより電磁石トルクを発生してトルク密度を向上させることができる。   Here, in a conventional rotating electrical machine using a permanent magnet for the outer rotor, the magnetic flux fluctuation at the slip frequency is a loss. On the other hand, in the rotating electrical machine 100 of this embodiment, the frequency difference induction coil Iim wound around the outer rotor 20 efficiently recovers the magnetic flux fluctuation of the slip frequency as field energy, and the recovered field energy is an electromagnet. Torque can be generated to improve torque density.

具体的には、本実施形態の回転電機100では、ステータ10において発生した磁束に含まれる高調波によって高調波用誘導コイルIsに交流の誘導電流が発生し、また、すべり周波数の磁束変動による誘起電圧によって周波数差用誘導コイルIimに交流の誘導電流が発生する。そして、この交流の誘導電流を、全波整流回路Cを介して直流電流に整流することで、アウタロータ20の界磁コイルWFに直流磁束を発生させ、強め磁界効果を得ることができる。   Specifically, in the rotating electrical machine 100 of the present embodiment, an alternating induction current is generated in the harmonic induction coil Is by harmonics included in the magnetic flux generated in the stator 10, and induction is caused by magnetic flux fluctuations of the slip frequency. An alternating induction current is generated in the frequency difference induction coil Iim by the voltage. Then, the AC induced current is rectified into a DC current via the full-wave rectifier circuit C, thereby generating a DC magnetic flux in the field coil WF of the outer rotor 20 and obtaining a strong magnetic field effect.

すなわち、回転電機100においては、ステータ10の電機子コイル14が集中巻であることに起因して空間高調波が発生するが、この空間高調波を高調波用誘導コイルIsで回収し、アウタロータ20の界磁コイルWFへの界磁エネルギー源として利用することができる。   That is, in the rotating electrical machine 100, spatial harmonics are generated due to the concentrated winding of the armature coil 14 of the stator 10. The spatial harmonics are collected by the harmonic induction coil Is, and the outer rotor 20 is recovered. It can be used as a field energy source for the field coil WF.

また、回転電機100においては、アウタロータ20とインナロータ30とを有する非同期のダブルロータ構造であることに起因して、インナロータ30とアウタロータ20との間ですべり周波数が発生するが、このすべり周波数を周波数差用誘導コイルIimで回収し、アウタロータ20の界磁コイルWFへの界磁エネルギーとして利用することができる。   Further, in the rotating electrical machine 100, a slip frequency is generated between the inner rotor 30 and the outer rotor 20 due to the asynchronous double rotor structure having the outer rotor 20 and the inner rotor 30, and this slip frequency is a frequency. It can be recovered by the difference induction coil Iim and used as field energy to the field coil WF of the outer rotor 20.

また、回転電機100において、アウタロータ20のロータヨーク21に、外側突極23が形成されているため、ステータ10で発生した磁束は、主として、磁気抵抗の少ない(透磁率が高い)外側突極23を通って外側スロット24と内側スロット25の間を通過し、隣接する外側突極23からステータ10へ戻るような磁束として形成される。このとき、磁束の長さが最短距離になるように縮もうとする。この磁束が縮もうとする力が、リラクタンストルクとして、アウタロータ20をステータ10の回転磁界に同期回転させるように作用する。すなわち、回転電機100は、アウタロータ20のロータヨーク21に、外側突極23を形成したことで、リラクタンストルクを利用することができる。   Further, in the rotating electrical machine 100, since the outer salient pole 23 is formed on the rotor yoke 21 of the outer rotor 20, the magnetic flux generated in the stator 10 mainly uses the outer salient pole 23 with low magnetic resistance (high permeability). It is formed as a magnetic flux that passes between the outer slot 24 and the inner slot 25 and returns from the adjacent outer salient pole 23 to the stator 10. At this time, it tries to reduce the length of the magnetic flux to the shortest distance. The force that the magnetic flux tries to contract acts as a reluctance torque so that the outer rotor 20 rotates synchronously with the rotating magnetic field of the stator 10. That is, the rotating electric machine 100 can use the reluctance torque by forming the outer salient pole 23 on the rotor yoke 21 of the outer rotor 20.

以上のように、本実施形態の回転電機100は、アウタロータ20の高調波用誘導コイルIsおよび周波数差用誘導コイルIimにより誘起された誘導電流が界磁コイルWFへ供給されることにより発生する電磁石トルクと、アウタロータ20のロータヨーク21に形成された外側突極23に磁束が通過することにより発生するリラクタンストルクと、インナロータ30の回転速度をアウタロータ20より速くする(すべりsが負の状態にする)ことによる反作用として働く磁気カップリングトルクと、を利用して、アウタロータ20のトルク密度を向上させることができる。
〈周波数差用誘導コイルおよび高調波用誘導コイルに流れる誘導電流〉
As described above, the rotating electrical machine 100 according to the present embodiment includes the electromagnet generated when the induction current induced by the harmonic induction coil Is and the frequency difference induction coil Iim of the outer rotor 20 is supplied to the field coil WF. The torque, the reluctance torque generated by the magnetic flux passing through the outer salient pole 23 formed on the rotor yoke 21 of the outer rotor 20, and the rotational speed of the inner rotor 30 are made faster than the outer rotor 20 (the slip s is made negative). The torque density of the outer rotor 20 can be improved by utilizing the magnetic coupling torque that acts as a reaction due to this.
<Induced current flowing in frequency difference induction coil and harmonic induction coil>

図14は、インナロータ30およびアウタロータ20をそれぞれ3500rpmおよび2000rpmで回転させたときの、回転電機100の状態を示している。図14において、ステータ10は、反時計方向への回転磁界を発生しており、この回転磁界に同期してアウタロータ20が2000rpmで回転している。また、インナロータ30は、アウタロータ20より1500rpm速い速度で、すべりsが負の状態で、反時計方向へ回転している。   FIG. 14 shows a state of the rotating electrical machine 100 when the inner rotor 30 and the outer rotor 20 are rotated at 3500 rpm and 2000 rpm, respectively. In FIG. 14, the stator 10 generates a rotating magnetic field in the counterclockwise direction, and the outer rotor 20 rotates at 2000 rpm in synchronization with this rotating magnetic field. Further, the inner rotor 30 rotates counterclockwise at a speed 1500 rpm faster than the outer rotor 20 with the slip s being negative.

図15は、インナロータ30およびアウタロータ20をそれぞれ3500rpmおよび2000rpmで回転させたときの、周波数差用誘導コイルIimおよび高調波用誘導コイルIsに流れる誘導電流を示している。   FIG. 15 shows induced currents flowing through the frequency difference induction coil Iim and the harmonic induction coil Is when the inner rotor 30 and the outer rotor 20 are rotated at 3500 rpm and 2000 rpm, respectively.

図16は、インナロータ30およびアウタロータ20をそれぞれ5000rpmおよび2000rpmで回転させたときの、回転電機100の状態を示している。図16において、ステータ10は、反時計方向への回転磁界を発生しており、この回転磁界に同期してアウタロータ20が2000rpmで回転している。また、インナロータ30は、アウタロータ20より3000rpm速い速度で、すべりsが負の状態で、反時計方向へ回転している。   FIG. 16 shows a state of the rotating electrical machine 100 when the inner rotor 30 and the outer rotor 20 are rotated at 5000 rpm and 2000 rpm, respectively. In FIG. 16, the stator 10 generates a rotating magnetic field in the counterclockwise direction, and the outer rotor 20 rotates at 2000 rpm in synchronization with the rotating magnetic field. Further, the inner rotor 30 rotates counterclockwise at a speed 3000 rpm faster than the outer rotor 20 with the slip s being negative.

図17は、インナロータ30およびアウタロータ20をそれぞれ5000rpmおよび2000rpmで回転させたときの、周波数差用誘導コイルIimおよび高調波用誘導コイルIsに流れる誘導電流を示している。   FIG. 17 shows induction currents flowing through the frequency difference induction coil Iim and the harmonic induction coil Is when the inner rotor 30 and the outer rotor 20 are rotated at 5000 rpm and 2000 rpm, respectively.

図15、図17において、「ステータ側」と記す線は、高調波用誘導コイルIsに流れる誘導電流を示し、「インナロータ側」と記す線は、周波数差用誘導コイルIimに流れる誘導電流を示している。また、「(正)」は、整流前の誘導電流の方向がアウタロータ20を反時計方向に回転させる方向であることを示し、「(逆)」は、整流前の誘導電流の方向がアウタロータ20を時計方向に回転させる方向であることを示している。   15 and 17, the line indicated as “stator side” indicates the induced current flowing through the harmonic induction coil Is, and the line indicated as “inner rotor side” indicates the induced current flowing through the frequency difference induction coil Iim. ing. Further, “(positive)” indicates that the direction of the induced current before commutation is a direction in which the outer rotor 20 is rotated counterclockwise, and “(reverse)” indicates that the direction of the induced current before commutation is the outer rotor 20. This indicates that the rotation direction is clockwise.

図15、図17から分かるように、高調波用誘導コイルIsには、電気角1周期あたりに3倍調波の誘導電流が発生しており、ステータ10の電機子コイル14が集中巻であることに起因して発生する第3次時間高調波を、アウタロータ20の界磁コイルWFの界磁エネルギー源として活用できていることが確認できる。ここで、第3次時間高調波は、静止座標系における第2次空間高調波である。   As can be seen from FIGS. 15 and 17, the harmonic induction coil Is generates an induction current of a third harmonic per electrical angle period, and the armature coil 14 of the stator 10 is concentrated winding. It can be confirmed that the third time harmonic generated due to the above can be utilized as a field energy source of the field coil WF of the outer rotor 20. Here, the third-order time harmonic is a second-order spatial harmonic in the stationary coordinate system.

また、周波数差用誘導コイルIimには、すべり周波数に起因する誘導電流が発生しており、すべり周波数による磁束変動をアウタロータ20の界磁コイルWFへの界磁エネルギー源として活用できていることが確認できる。   In addition, an induction current due to the slip frequency is generated in the frequency difference induction coil Iim, and magnetic flux fluctuation due to the slip frequency can be utilized as a field energy source to the field coil WF of the outer rotor 20. I can confirm.

また、図15と図17を比較すると、「インナロータ側」と記す周波数差用誘導コイルIimにおいて、すべり周波数がより大きい図17の方が、図15よりも多くの誘導電流を発生していることが分かる。このため、すべり周波数による磁束変動がより大きい図17の方が、図15よりも、より多く界磁コイルWFへの界磁エネルギーを得ることができる。
〈すべり=0のときの二次励磁の有無における、周波数差用誘導コイルおよび高調波用誘導コイルに流れる誘導電流の比較〉
Further, comparing FIG. 15 with FIG. 17, in the frequency difference induction coil Iim indicated as “inner rotor side”, FIG. 17 having a higher slip frequency generates more induced current than FIG. 15. I understand. For this reason, the field energy to the field coil WF can be obtained more in FIG. 17 where the magnetic flux fluctuation due to the slip frequency is larger than in FIG.
<Comparison of induced current flowing in frequency difference induction coil and harmonic induction coil with and without secondary excitation when slip = 0>

図18は、すべりs=0、すなわちインナロータ30とアウタロータ20が回転磁界に同期回転している状態において、インナロータ30の二次励磁ありの場合の回転電機100の状態を示している。図18において、ステータ10は、反時計方向への回転磁界を発生しており、この回転磁界に同期してアウタロータ20およびインナロータ30が1000rpmで回転している。   FIG. 18 shows the state of the rotating electrical machine 100 when the inner rotor 30 and the outer rotor 20 are rotating in synchronization with the rotating magnetic field and the secondary excitation of the inner rotor 30 is present, in which the slip s = 0. In FIG. 18, the stator 10 generates a rotating magnetic field in the counterclockwise direction, and the outer rotor 20 and the inner rotor 30 are rotated at 1000 rpm in synchronization with the rotating magnetic field.

図19は、回転電機100が図18の状態のときの、周波数差用誘導コイルIimおよび高調波用誘導コイルIsに流れる誘導電流を示している。   FIG. 19 shows the induced current flowing through the frequency difference induction coil Iim and the harmonic induction coil Is when the rotating electrical machine 100 is in the state shown in FIG.

図20は、すべりs=0、すなわちインナロータ30とアウタロータ20が回転磁界に同期回転している状態において、インナロータ30の二次励磁なしの場合の回転電機100の状態を示している。図20において、ステータ10は、反時計方向への回転磁界を発生しており、この回転磁界に同期してアウタロータ20およびインナロータ30が1000rpmで回転している。   FIG. 20 shows a state of the rotating electrical machine 100 when the inner rotor 30 and the outer rotor 20 are rotating synchronously with the rotating magnetic field and the secondary excitation of the inner rotor 30 is not performed, in which the slip s = 0. In FIG. 20, the stator 10 generates a rotating magnetic field in the counterclockwise direction, and the outer rotor 20 and the inner rotor 30 are rotated at 1000 rpm in synchronization with the rotating magnetic field.

図21は、回転電機100が図20の状態のときの、周波数差用誘導コイルIimおよび高調波用誘導コイルIsに流れる誘導電流を示している。   FIG. 21 shows the induced current flowing through the frequency difference induction coil Iim and the harmonic induction coil Is when the rotating electrical machine 100 is in the state shown in FIG.

図19、図21において、「ステータ側」と記す線は、高調波用誘導コイルIsに流れる誘導電流を示し、「インナロータ側」と記す線は、周波数差用誘導コイルIimに流れる誘導電流を示している。また、「(正)」は、整流前の誘導電流の方向がアウタロータ20を反時計方向に回転させる方向であることを示し、「(逆)」は、整流前の誘導電流の方向がアウタロータ20を時計方向に回転させる方向であることを示している。なお、図21において、インナロータ側(正)は0で一定である。   19 and 21, a line indicated as “stator side” indicates an induction current flowing through the harmonic induction coil Is, and a line indicated as “inner rotor side” indicates an induction current flowing through the frequency difference induction coil Iim. ing. Further, “(positive)” indicates that the direction of the induced current before commutation is a direction in which the outer rotor 20 is rotated counterclockwise, and “(reverse)” indicates that the direction of the induced current before commutation is the outer rotor 20. This indicates that the rotation direction is clockwise. In FIG. 21, the inner rotor side (positive) is 0 and constant.

図18に示すようにインナロータ30を二次励磁した場合は、図20に示すようにインナロータ30を二次励磁しない場合と異なり、インナロータ30の二次励磁による磁束がアウタロータ20に作用するため、アウタロータ20上の第3次時間高調波とすべり周波数の磁束変動で励磁干渉が作用している。   When the inner rotor 30 is subjected to secondary excitation as shown in FIG. 18, unlike the case where the inner rotor 30 is not subjected to secondary excitation as shown in FIG. 20, the magnetic flux due to the secondary excitation of the inner rotor 30 acts on the outer rotor 20. Excitation interference acts on the third time harmonic on 20 and the magnetic flux fluctuation of the slip frequency.

このため、図19のようにインナロータ30を二次励磁した場合、インナロータ側(正)およびインナロータ側(逆)の電流が図21より多くなり、ステータ側(正)およびステータ側(逆)の電流が図21よりも少なくなる。これにより、インナロータ30を二次励磁した場合、アウタロータ20の高調波用誘導コイルIsで回収できる空間高調波エネルギー量(ステータ側(正)およびステータ側(逆)の電流)は、図21より減少するものの、すべり周波数に起因するすべり周波数エネルギー(インナロータ側(正)およびインナロータ側(逆)の電流)は図21より増加する。   For this reason, when the inner rotor 30 is subjected to secondary excitation as shown in FIG. 19, the current on the inner rotor side (forward) and the inner rotor side (reverse) is larger than that in FIG. 21, and the current on the stator side (forward) and stator side (reverse) is increased. Is less than in FIG. Thereby, when the inner rotor 30 is subjected to secondary excitation, the amount of spatial harmonic energy (current on the stator side (forward) and stator side (reverse)) that can be recovered by the harmonic induction coil Is of the outer rotor 20 is reduced from FIG. However, the slip frequency energy (current on the inner rotor side (forward) and inner rotor side (reverse)) due to the slip frequency increases from FIG.

このため、図22に示すように、インナロータ(二次励磁なし)はトルクが0で一定であり、インナロータ(二次励磁あり)は正負に変動するトルクが発生するだけであるが、アウタロータ(二次励磁あり)は、アウタロータ(二次励磁なし)よりも正側で変動するトルクを多く得ることができる。したがって、二次励磁の有無でトルクを比較すると、二次励磁ありの場合、アウタロータ20のトルクは、二次励磁なしの場合よりも向上している。   For this reason, as shown in FIG. 22, the torque of the inner rotor (without secondary excitation) is constant at 0, and the inner rotor (with secondary excitation) only generates a torque that fluctuates positively or negatively. With the next excitation, it is possible to obtain more torque that varies on the positive side than the outer rotor (without the second excitation). Therefore, when comparing the torque with and without secondary excitation, the torque of the outer rotor 20 is improved in the case of secondary excitation than in the case of no secondary excitation.

すなわち、すべりs=0の同期モードにおいても、インナロータ30を二次励磁することにより、インナロータ30で回転磁界が発生し、その回転磁界によってインナロータ30とアウタロータ20の間で磁気カップリングが形成され、この磁気カップリングにより、インナロータ30で発生するトルクをアウタロータ20に伝達できた結果、アウタロータ20のトルクを向上できている。   That is, even in the synchronous mode of the slip s = 0, when the inner rotor 30 is subjected to secondary excitation, a rotating magnetic field is generated in the inner rotor 30, and a magnetic coupling is formed between the inner rotor 30 and the outer rotor 20 by the rotating magnetic field. As a result of the torque generated in the inner rotor 30 being transmitted to the outer rotor 20 by this magnetic coupling, the torque of the outer rotor 20 can be improved.

以上のように説明した本実施形態の回転電機の作用効果について説明する。   The effect of the rotary electric machine of this embodiment demonstrated as mentioned above is demonstrated.

本実施形態の回転電機100は、交流電流の供給により磁束を発生させる電機子コイル14を有するステータ10と、このステータ10よりも回転軸100c側に設けられ、ステータ10において発生する磁束の鎖交により第1の周波数F1で回転するアウタロータ20と、このアウタロータ20よりも回転軸100c側に設けられ、第1の周波数F1とは異なる第2の周波数F2で回転するインナロータ30とを有する。   The rotating electrical machine 100 according to the present embodiment is provided with a stator 10 having an armature coil 14 that generates magnetic flux by supplying an alternating current, and a linkage of magnetic flux generated in the stator 10 that is provided closer to the rotating shaft 100c than the stator 10. Thus, the outer rotor 20 that rotates at the first frequency F1 and the inner rotor 30 that is provided closer to the rotating shaft 100c than the outer rotor 20 and rotates at the second frequency F2 different from the first frequency F1 are provided.

また、アウタロータ20は、インナロータ30と対向する側に設けられた内側突極22に、第1の周波数F1と第2の周波数F2との周波数差の磁束が鎖交する周波数差用誘導コイルIimを有し、ステータ10と対向する側に設けられた外側突極23の径方向外周側に、ステータ10において発生した磁束に含まれる高調波が鎖交する高調波用誘導コイルIsを有し、外側突極23の径方向内周側に、高調波用誘導コイルIs及び周波数差用誘導コイルIimで発生した電流が供給される界磁コイルWFを有する。   In addition, the outer rotor 20 has a frequency difference induction coil Iim in which a magnetic flux having a frequency difference between the first frequency F1 and the second frequency F2 is linked to an inner salient pole 22 provided on the side facing the inner rotor 30. The outer salient pole 23 provided on the side facing the stator 10 has a harmonic induction coil Is interlinked with harmonics included in the magnetic flux generated in the stator 10 on the outer peripheral side in the radial direction. A field coil WF to which current generated in the harmonic induction coil Is and the frequency difference induction coil Iim is supplied is provided on the radially inner side of the salient pole 23.

この回転電機100によれば、アウタロータ20およびインナロータ30がそれぞれ第1の周波数F1および第2の周波数F2で回転することで、アウタロータ20とインナロータ30との間ですべり周波数の磁束変動が発生する。   According to the rotating electrical machine 100, the outer rotor 20 and the inner rotor 30 rotate at the first frequency F1 and the second frequency F2, respectively, so that a magnetic flux fluctuation with a slip frequency is generated between the outer rotor 20 and the inner rotor 30.

また、第1の周波数F1と第2の周波数F2との周波数差の磁束が周波数差用誘導コイルIimに鎖交することで、周波数差用誘導コイルIimに誘導電流が発生する。   In addition, a magnetic flux having a frequency difference between the first frequency F1 and the second frequency F2 is linked to the frequency difference induction coil Iim, so that an induction current is generated in the frequency difference induction coil Iim.

また、ステータ10において発生した磁束に含まれる高調波が高調波用誘導コイルIsに鎖交することで、高調波用誘導コイルIsに誘導電流が発生する。   Moreover, the harmonic contained in the magnetic flux generated in the stator 10 is linked to the harmonic induction coil Is, so that an induction current is generated in the harmonic induction coil Is.

そして、高調波用誘導コイルIs及び周波数差用誘導コイルIimで発生した電流が界磁コイルWFに供給されることで、電磁石トルクが発生する。   The current generated in the harmonic induction coil Is and the frequency difference induction coil Iim is supplied to the field coil WF, thereby generating an electromagnet torque.

この結果、すべり周波数の磁束変動を界磁エネルギーとして効率的に回収し、回収した界磁エネルギーにより電磁石トルクを発生してトルク密度を向上させることができる。   As a result, magnetic flux fluctuations at the slip frequency can be efficiently recovered as field energy, and electromagnet torque can be generated by the recovered field energy to improve the torque density.

さらに、この回転電機100によれば、リラクタンストルクに加えて、界磁コイルWFにより電磁石トルクを発生できるため、永久磁石の使用による高コスト化を回避することができる。   Furthermore, according to this rotating electrical machine 100, in addition to the reluctance torque, the electromagnet torque can be generated by the field coil WF, so that it is possible to avoid an increase in cost due to the use of a permanent magnet.

また、本実施形態の回転電機100において、アウタロータ20は、高調波用誘導コイルIs及び周波数差用誘導コイルIimで発生した交流電流を直流電流に整流して界磁コイルに供給する全波整流回路Cを有する。   In the rotating electrical machine 100 of the present embodiment, the outer rotor 20 is a full-wave rectifier circuit that rectifies an alternating current generated in the harmonic induction coil Is and the frequency difference induction coil Iim into a direct current and supplies the direct current to the field coil. C.

この回転電機100によれば、周波数差用誘導コイルIimおよび高調波用誘導コイルIsに発生した交流の誘導電流を、全波整流回路Cを介して直流電流に整流することで、アウタロータ20の界磁コイルWFに直流磁束を発生させ、強め磁界効果を得ることができる。   According to the rotating electric machine 100, the field of the outer rotor 20 is rectified by rectifying the alternating induction current generated in the frequency difference induction coil Iim and the harmonic induction coil Is into a direct current through the full-wave rectification circuit C. A direct magnetic flux can be generated in the magnetic coil WF to obtain a strong magnetic field effect.

また、本実施形態の回転電機100において、アウタロータ20は、ステータ10に供給される交流電流の周波数と同期する第1の周波数F1で回転し、インナロータ30は、第1の周波数とは非同期の第2の周波数F2で回転する。   In the rotating electrical machine 100 of the present embodiment, the outer rotor 20 rotates at the first frequency F1 that is synchronized with the frequency of the alternating current supplied to the stator 10, and the inner rotor 30 is the first that is asynchronous with the first frequency. Rotate at a frequency of F2.

この回転電機100によれば、ステータ10に供給される交流電流の周波数と同期する第1の周波数F1でアウタロータ20を回転させつつ、アウタロータ20とインナロータ30との間のすべり周波数の磁束変動により、インナロータ30とアウタロータ20の間で磁気カップリングを形成し、この磁気カップリングにより、インナロータ30で発生するトルクをアウタロータ20に伝達できる。   According to this rotating electrical machine 100, by rotating the outer rotor 20 at the first frequency F1 that is synchronized with the frequency of the alternating current supplied to the stator 10, the magnetic flux fluctuation of the slip frequency between the outer rotor 20 and the inner rotor 30 causes A magnetic coupling is formed between the inner rotor 30 and the outer rotor 20, and torque generated in the inner rotor 30 can be transmitted to the outer rotor 20 by this magnetic coupling.

また、本実施形態の回転電機100において、インナロータ30は、二次励磁により磁束を発生させる励磁コイル34を有し、この励磁コイル34は、極数の6倍のスロット33からなる複数の突極としてのロータティース32に分布巻されている。   Further, in the rotating electrical machine 100 of the present embodiment, the inner rotor 30 has an exciting coil 34 that generates magnetic flux by secondary excitation, and the exciting coil 34 includes a plurality of salient poles including slots 33 that are six times the number of poles. As a result, the rotor teeth 32 are distributedly wound.

このように、極数の6倍のスロット33からなる複数のロータティース32に励磁コイル34が分布巻されるため、この分布巻によってコイルピッチが確保されて、励磁コイル34に鎖交する磁束量を増やし、トルク密度を向上させることができる。   Thus, since the exciting coil 34 is distributedly wound around the plurality of rotor teeth 32 composed of the slots 33 having six times the number of poles, the coil pitch is secured by this distributed winding, and the amount of magnetic flux interlinked with the exciting coil 34. And the torque density can be improved.

この回転電機100によれば、インナロータ30の励磁コイル34を二次励磁することで、アウタロータ20上の第3次時間高調波とすべり周波数の磁束変動で励磁干渉が作用するため、すべり周波数に起因するすべり周波数エネルギーを増加させることができる。   According to this rotating electrical machine 100, secondary excitation of the excitation coil 34 of the inner rotor 30 causes excitation interference due to third-order harmonics on the outer rotor 20 and magnetic flux fluctuations of the slip frequency, resulting in the slip frequency. The sliding frequency energy can be increased.

これにより、すべりs=0の同期モードにおいても、インナロータ30を二次励磁することで、インナロータ30で発生した回転磁界によりインナロータ30とアウタロータ20の間で磁気カップリングを形成し、この磁気カップリングにより、インナロータ30で発生するトルクをアウタロータ20に伝達できる。   As a result, even in the synchronous mode of the slip s = 0, the inner rotor 30 is subjected to secondary excitation to form a magnetic coupling between the inner rotor 30 and the outer rotor 20 by the rotating magnetic field generated by the inner rotor 30, and this magnetic coupling. Thus, the torque generated in the inner rotor 30 can be transmitted to the outer rotor 20.

このような本実施形態の回転電機100を用いるハイブリッド駆動システムは、例えば、バッテリ容量が低下した場合やバッテリが極低温状態の場合などのようなとき、エンジンを高効率で駆動するだけで出力軸にエネルギー伝達を行うことができるため、ハイブリッド駆動システムを小型で高効率なものにできる。   Such a hybrid drive system using the rotating electrical machine 100 of the present embodiment has an output shaft only by driving the engine with high efficiency when, for example, the battery capacity is reduced or the battery is in a very low temperature state. Therefore, the hybrid drive system can be made small and highly efficient.

また、本実施形態の回転電機100は、例えば、レンジエクステンダー方式のハイブリッド駆動システムに適用される場合、従来のような発電用ジェネレータで発電した電力を一旦インバータで直流変換した後に駆動用モータに供給する構成よりも、短い経路でエネルギー伝達が可能となり、装置の小型化および低コスト化が可能になるとともに、エネルギー伝達効率の向上が可能となる。   In addition, when applied to a range extender type hybrid drive system, for example, the rotating electrical machine 100 of the present embodiment temporarily converts the electric power generated by a conventional generator for generation into a direct current by an inverter and then supplies the converted electric power to the drive motor. Compared to the configuration, energy can be transmitted through a shorter path, the apparatus can be reduced in size and cost, and energy transmission efficiency can be improved.

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。   While embodiments of the invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that changes may be made without departing from the scope of the invention. All such modifications and equivalents are intended to be included in the following claims.

本実施形態の回転電機100は、ラジアルギャップ構造のインナーロータタイプであるが、アキシャルギャップ構造またはアウタロータ構造であってもよい。また、各コイルには、銅線、アルミ導体、リッツ線を用いることができる。また、回転電機100は、ハイブリッド車両のみでなく、風力発電機、工作機械等の他の産業分野にも適用することができる。   The rotating electric machine 100 of the present embodiment is an inner rotor type having a radial gap structure, but may be an axial gap structure or an outer rotor structure. Moreover, a copper wire, an aluminum conductor, and a litz wire can be used for each coil. The rotating electrical machine 100 can be applied not only to hybrid vehicles but also to other industrial fields such as wind power generators and machine tools.

10…ステータ
14…電機子コイル
20…アウタロータ(第1のロータ)
22…内側突極
23…外側突極
30…インナロータ(第2のロータ)
32…ロータティース(突極)
33…スロット
34…励磁コイル
100…回転電機
100c…回転軸
C…全波整流回路
Iim…周波数差用誘導コイル
Is…高調波用誘導コイル
WF…界磁コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Stator 14 ... Armature coil 20 ... Outer rotor (1st rotor)
22 ... Inner salient pole 23 ... Outer salient pole 30 ... Inner rotor (second rotor)
32 ... Rotaries (saliency pole)
33 ... Slot 34 ... Excitation coil 100 ... Rotating electrical machine 100c ... Rotating axis C ... Full wave rectification circuit Iim ... Frequency difference induction coil Is ... Harmonic induction coil WF ... Field coil

Claims (4)

交流電流の供給により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、
前記ステータよりも回転軸側に設けられ、前記磁束の鎖交により第1の周波数で回転する第1のロータと、
前記第1のロータよりも前記回転軸側に設けられ、前記第1の周波数とは異なる第2の周波数で回転する第2のロータとを有する回転電機であって、
前記第1のロータは、
前記第2のロータと対向する側に設けられた内側突極に、前記第1の周波数と前記第2の周波数との周波数差の磁束が鎖交する周波数差用誘導コイルを有し、
前記ステータと対向する側に設けられた外側突極の径方向外周側に、前記ステータにおいて発生した磁束に含まれる高調波が鎖交する高調波用誘導コイルを有し、
前記外側突極の径方向内周側に、前記高調波用誘導コイル及び前記周波数差用誘導コイルで発生した電流が供給される界磁コイルを有することを特徴とする回転電機。
A stator having an armature coil that generates magnetic flux by supplying an alternating current;
A first rotor that is provided closer to the rotating shaft than the stator and rotates at a first frequency by interlinking of the magnetic flux;
A rotating electrical machine having a second rotor that is provided closer to the rotating shaft than the first rotor and rotates at a second frequency different from the first frequency;
The first rotor is
The inner salient pole provided on the side facing the second rotor has a frequency difference induction coil in which a magnetic flux having a frequency difference between the first frequency and the second frequency is linked,
On the radially outer peripheral side of the outer salient pole provided on the side facing the stator, a harmonic induction coil in which harmonics included in the magnetic flux generated in the stator are linked,
A rotating electrical machine comprising a field coil to which current generated by the harmonic induction coil and the frequency difference induction coil is supplied on a radially inner periphery side of the outer salient pole.
前記第1のロータは、
前記高調波用誘導コイル及び前記周波数差用誘導コイルで発生した交流電流を直流電流に整流して前記界磁コイルに供給する全波整流回路を有することを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
The first rotor is
2. The rotation according to claim 1, further comprising a full-wave rectifier circuit that rectifies an alternating current generated in the harmonic induction coil and the frequency difference induction coil into a direct current and supplies the direct current to the field coil. Electric.
前記第1のロータは、
前記ステータに供給される交流電流の周波数と同期する第1の周波数で回転し、
前記第2のロータは、
前記第1の周波数とは非同期の第2の周波数で回転することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転電機。
The first rotor is
Rotating at a first frequency synchronized with the frequency of the alternating current supplied to the stator;
The second rotor is
The rotating electrical machine according to claim 1 or 2, wherein the rotating electrical machine rotates at a second frequency that is asynchronous with the first frequency.
前記第2のロータは、
二次励磁により磁束を発生させる励磁コイルを有し、該励磁コイルは、極数の6倍のスロットからなる複数の突極に分布巻されることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の回転電機。
The second rotor is
4. An excitation coil for generating magnetic flux by secondary excitation, wherein the excitation coil is distributedly wound around a plurality of salient poles each having six times the number of poles. The rotating electrical machine according to any one of the above.
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