JP4013448B2 - ２ロータ型同期機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一のステ−タコイルに鎖交する一対の界磁ロータを有する２ロータ型同期機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期機（いわゆるブラシレスＤＣモータを含む）としては、マグネット型ロ−タ構造や磁気突極型ロータ構造などが知られているが、いずれもこれらロータの界磁極ベクトル（回転ベクトル）と電機子電流ベクトル（回転ベクトル）との間の相対回動角度（位相角）を調整することにより、トルクや発電電圧を調整する制御を行うことが知られている。
【０００３】
また、特開平１１ー２７５７８９は、埋め込み磁石式ロータの磁石挿入部近くのスリットに、遠心力により径外側に移動して界磁束を短絡する短絡鉄片を内蔵した埋め込み磁石式電動機を開示している。
【０００４】
この短絡鉄片の移動により界磁束を減少させることができるため、上記した従来の同期機のように電機子電流ベクトルの位相制御（いわゆる弱め界磁）を行う必要がなく、電機子コイルにわざわざ界磁束減少のための弱め界磁電流を通電する必要がなく（トルク調整又は発電電圧調整にためにトルク又は発電に無効な励磁電流を流す必要がなく）、効率を向上することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、短絡鉄片を用いる上記従来技術では、短絡鉄片を付勢するバネの弾性力と短絡鉄片の遠心力との微妙なバランスによって短絡鉄片の動作を制御しているため、ロータが速度変動あるいは急加減速しながら回転するときには磁束量が変動又は振動してしまい、ハンチングを起こしたり、必要なトルクや発電電圧を確保できないという問題があった。
【０００６】
また、高速回転するロータに可動短絡鉄片を可動性を維持しつつ保持させるので、構造が複雑となることに起因して信頼性及び耐久性に劣るという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、動作信頼性に優れ、効率低下や発熱増大を抑止可能な２ロータ型同期機を提供することをその目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の２ロータ型同期機によれば、界磁極を有して相対回動可能に同軸配置された一対のロータと、前記両ロ−タの少なくとも一方の回転界磁磁界ベクトルを前記電機子電流ベクトルに対して機械的に回動させるロ−タ相対角度調整部と、前記両ロータの界磁極により形成される界磁束とそれぞれ鎖交する電機子コイルを有してハウジングに固定されるステータコアとを備えることを特徴としている。
【０００９】
すなわち、本質的に同期機原理で動作する一対のロータは、それぞれ電機子電流に対する界磁極の位相角によりその電動トルク及び発電電圧が変化する。したがって、一方のロータを電機子電流磁界に対して機械的に回動させることで、両ロータの界磁極の合成界磁束の振幅及び位相の両方を調整することにより電動トルクや発電電圧を所望のレベルに大幅変更することができる。
【００１０】
このことは、高速回転時の過大な発電電圧を弱めたり、たとえば交直双方向変換回路の出力端が開放されて過大な発電電圧が交直双方向変換回路の内部半導体素子に長時間印加されるといった不具合を防止するのに有効な手段となり得る。
【００１１】
すなわち、本構成によれば、上記短絡鉄片の使用による動作信頼性の低下を回避することができ、更に電機子コイルに弱め界磁電流を通電する必要がないので、効率低下や発熱増大を抑止することができる。
【００１２】
また、無効な励磁電流ベクトルの通電削減に伴う電機子電流の最大値や実効値を低減できるので、電機子コイルに給電する交直双方向変換回路の半導体スイッチング素子を小型化でき、その発熱を低減することができる。
【００１３】
請求項２記載の構成によれば、請求項１記載の２ロータ型同期機において更に、前記両ロ−タは、軸方向に隣接して同軸配置され、前記両ロ−タの一方が有する回転軸は、前記両ロ−タの他方が有する回転軸を貫通して軸方向に突出する突出部を有し、前記ロ−タ相対角度調整部は、前記両ロ−タの他方に軸方向に隣接して前記両回転軸に噛合する遊星減速ギヤ機構を有することを特徴としている。
【００１４】
本構成によれば、上述した遠心力及びスプリングの間の微妙な力のバランスで作動する可動短絡鉄片方式に比較して格段に動作信頼性に優れ、外部よりの振動などに対して異常作動しにくい遊星減速ギヤ機構を用いて合成界磁束を制御するので、信頼性、耐久性において格段に優れる。
【００１５】
また、この遊星減速ギヤ機構は、ロ−タ相対角度調整部を遊星減速ギヤ機構で構成するので、両ロータとこの車両用回転電機の出力軸とをこの減速ギヤ機構のプラネタリギヤ支承用の支軸で結合することができ、トルク伝達経路を簡素化でき、更にその上、遊星減速ギヤ機構の採用により、コンパクトに外部に大トルクを出力することができ、回転電機を小型高出力とすることができる。つまり、従来の遊星減速ギヤ機構付き回転電機の部分的変更により請求項１記載の作用効果を実現することができる。
【００１６】
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の２ロータ型同期機において更に、前記両ロ−タは前記ステータコアの内周面及び外周面に個別に対面し、前記ロ−タ相対角度調整部は、径内側の前記ロータの更に径内側に収容されて前記両回転軸に噛合する遊星減速ギヤ機構を有することを特徴としている。
【００１７】
本構成によれば、各構成要素を上記径方向に配置し、ステ−タ／ロータ対の径内側のギャップ部分にロ−タ相対角度調整部を収容する構成を採用するので、車両用回転電機の軸方向長を短縮してコンパクトに装置を構成することができる。
【００１８】
請求項４記載の構成によれば請求項１乃至３のいずれか記載の２ロータ型同期機において更に、前記両ロ−タは、永久界磁極を有するマグネット型ロ−タからなることを特徴としている。
【００１９】
本構成によれば、両ロータはマグネット型ロ−タであるので、ロータを簡素かつ堅牢とすることができる。
【００２０】
また、マグネット型ロ−タの高速回転時に発電電圧が過大となる場合でも弱め界磁用の電機子電流を電機子コイルに通電する必要がなく、交直双方向変換回路を用いる場合において、その素子を小型化することができる。
【００２１】
更に、交直双方向変換回路を通じてバッテリ駆動する場合において、マグネット型ロ−タの高速回転時にバッテリが満充電となったり、交直双方向変換回路が不調となって発電電流がバッテリで十分に吸収できない場合、回転電機がの出力端に大きな開放電圧が発生し、この開放電圧が平滑コンデンサやバッテリや交直双方向変換回路に悪影響を与えるという問題があるが、本構成では、両ロ−タ間の相対角度の調整により実質的に電機子コイルと鎖交する合成界磁束を機械的に調整できるので、マグネット型ロ−タの使用に随伴するこれらの問題を解決することができる。
【００２２】
請求項５記載の構成によれば請求項１乃至３のいずれか記載の２ロータ型同期機において更に、前記両ロ−タの一方は、前記界磁極として少なくとも永久界磁極を有するマグネット型ロ−タからなり、他方は、磁気突極型界磁極のみを有する磁気突極型ロータからなることを特徴としている。
【００２３】
本構成によれば、磁気突極型ロータは更に簡素な構成をもつことができる。なお、磁気突極型ロータの単位体格あたりの電動トルク及び発電電圧は小さいがその分、磁気突極型ロータのステータ対向面を、マグネット型ロ−タのそれに対して径大側に配置することにより補償することができる。
【００２４】
以下、更に説明する。
【００２５】
従来より知られているように、電動機動作においてマグネット型ロータの界磁極中心に対して磁気突極型ロータの界磁極中心（突極中心）を、回転子の回転方向に電気角で４５°前方に配置することにより、マグネット型ロータおよび磁気突極型ロータの各々で発生するマグネットトルクとリラクタンストルクの最大値の位相を一致させ、合成トルクを最大化することが可能となる。
【００２６】
しかしながら、発電動作時には上記合成トルク（発電のため負方向に）最大とはならず、低速回転時における発電特性が劣化する。といって、発電動作時に上記マグネットトルクとラクタンストルクの合成トルクが最大となるように磁気突極型ロータの界磁極中心（突極中心）をセットすると、電動トルクが減少してしまう。また、バッテリから交直双方向変換回路を通じて回転電機に給電する場合、発電動作時に交直双方向変換回路（三相インバータ回路）の動作が不調でかつバッテリが満充電であると実質的に回転電機の電機子コイルの出力端が実質的に開放状態となり、マグネット型ロ−タによる開放発電電圧がバッテリや平滑コンデンサなどに常時印加されてしまうという問題が生じる。
【００２７】
これらの問題に対して、本構成では、マグネット型ロータの界磁束ベクトルに対して磁気突極型ロータの界磁束ベクトル（磁気突極）を任意に調節するので、電動動作時及び発電動作時のそれぞれにおいて、最適なトルク状態を得ることができる。また、弱め界磁電流を電機子コイルに流す必要がないので、交直双方向変換回路（インバータ回路）の素子を小型化することができ、抵抗損失低減により回転機効率の向上を実現することができる。
【００２８】
請求項６記載の構成によれば請求項１乃至５のいずれか記載の２ロータ型同期機において更に、前記ロ−タ相対角度調整部は、前記両ロータの回転軸に個別に固定された一対のサンギヤと、同一の支軸にそれぞれ回転自在に支承されて前記両サンギヤに個別に噛合する一対のプラネタリギヤと、前記両プラネタリギヤと個別に噛合する一対のリングギヤと、前記ハウジングに固定されて前記両リングギヤの一方を回動させるリングギヤ回動機構とを有することを特徴としている。
【００２９】
本構成によれば、ロ−タ相対角度調整部を遊星減速ギヤ機構で構成することができるので、両ロータとこの車両用回転電機の出力軸とをこの減速ギヤ機構のプラネタリギヤ支承用の支軸で結合することができ、トルク伝達経路を簡素化でき、更にその上、遊星減速ギヤ機構の採用により、コンパクトに外部に大トルクを出力することができ、回転電機を小型高出力とすることができる。つまり、従来の遊星減速ギヤ機構付き回転電機の部分的変更により請求項１記載の作用効果を実現することができる。
【００３０】
更に、リングギヤの一方を回動させるという簡素な構成で両ロータの相対回転変更を実現することができる。
【００３１】
両ロータをマグネット型ロ−タで構成する好適な態様において、両マグネット型ロ−タの界磁束ベクトルの相対角度を電気角０〜１８０度の範囲内に設定する。このようにすれば、合成電動トルクを増大することができ、トルク制御も自在に行うことができる。
【００３２】
両ロータをマグネット型ロ−タと磁気突極型ロータとで構成する好適な態様において、電動動作時に前記磁気突極型界磁極を前記永久磁石界磁極に対して進相角度の位置に設定する。このようにすれば、合成トルクを増大することができる。
【００３３】
両ロータをマグネット型ロ−タと磁気突極型ロータとで構成する好適な態様において、磁気突極型ロータの界磁束ベクトルがマグネット型ロ−タの界磁束ベクトルに対して電動動作時に電気角０〜１８０度の範囲内で進相するように設定する。このようにすれば、合成電動トルクを増大することができ、トルク制御も自在に行うことができる。
【００３４】
両ロータをマグネット型ロ−タと磁気突極型ロータとで構成する好適な態様において、磁気突極型ロータの界磁束ベクトルがマグネット型ロ−タの界磁束ベクトルに対して発電動作時に電気角０〜−１８０度の範囲内で遅相するように設定する。このようにすれば、発電電圧を増大することができ、発電電圧制御も自在に行うことができる。
【００３５】
請求項７記載の構成によれば請求項１乃至６のいずれか記載の２ロータ型同期機において更に、前記電機子コイルは、交直双方向変換回路と電力授受し、前記ロ−タ相対角度調整部は、前記電機子コイルの誘起電圧が所定しきい値以下となるように前記両ロ−タの少なくとも一方の回転界磁磁界を前記電機子電流回転磁界に対して機械的に回動させることを特徴としている。
【００３６】
本構成によれば、交直双方向変換回路の直流端子の外れや交直双方向変換回路の半導体スイッチング素子の動作不良などにより過大な電機子コイル誘起電圧が発生することがなく、交直双方向変換回路やその一対の直流端子間に接続される平滑コンデンサなどの絶縁に悪影響が長期にわたって加えられるのを防止することができ、信頼性を向上することができる。
【００３７】
【発明を実施するための形態】
本発明の好適な態様を以下の実施例を参照して以下に説明する。
【００３８】
【実施例１】
実施例１の２ロータ型同期機を用いた車両用回転電機の一例を、図１を参照して以下に説明する。
【００３９】
（構成）
１は回転子、２は固定子、３はモータハウジング、６０１はギヤハウジング、５０１は出力軸である。
【００４０】
固定子２は、積層電磁鋼板からなる鉄心３０１と鉄心３０３の間に非磁性体３０４を挟み込んで一体としたステータコア（固定子鉄心）に電機子巻線（ステ−タコイル）３０２を巻装してなり、モータハウジング３の内周面に固定されている。
【００４１】
回転子１は、固定子２の径内側に挿入され、回転子１に取り付けられた軸受４０１、４０４を介してモータハウジング３に回転自在に支持されている。回転子１は、第１のマグネット型ロータ１００と第２のマグネット型ロータ２００から構成されている。
【００４２】
第１のマグネット型ロータ１００は、中空のシャフト１０１と、積層電磁鋼板からなる鉄心１０２と、鉄心１０２の内部に埋め込まれた永久磁石１０３とにより構成されている。図２に鉄心１０２のＡーＡ矢視断面を示す。鉄心１０２の外周部には８つの磁石挿入穴１０４が軸方向に貫設され、各磁石挿入穴１０４には、厚さ方向（回転子挿入状態で径方向）に着磁された８つの永久磁石１０３が極性交互に挿入されている。永久磁石１０３は、互いに磁極面の極性が反対な永久磁石１０３ａ、１０３ｂからなる。
【００４３】
第２のマグネット型ロータ２００も同様に、シャフト２０１と、積層電磁鋼板からなる鉄心２０２と、鉄心２０２の内部に埋め込まれた永久磁石２０３とにより構成されている。図３に鉄心２０２のＢーＢ断面を示す。鉄心２０２の外周部には８つの磁石挿入穴２０４が軸方向に貫設され、各磁石挿入穴２０４には、それぞれ厚さ方向（回転子挿入状態で径方向）に着磁された８つの永久磁石２０３が極性交互に挿入されている。永久磁石２０３は、互いに磁極面の極性が反対な永久磁石２０３ａ、２０３ｂからなる。
【００４４】
シャフト２０１の後端部は、軸受４０４によりモータハウジング３に支承され、シャフト２０１の前端部はシャフト１０１の中空部にて軸受４０２、４０３に支承されつつこの中空部を貫通し、前方のギヤハウジング６０１内に突出している。シャフト１０１の前端部は軸受４０１によりモータハウジング３に支承されている。これによりシャフト１０１、２０１は径方向に同軸配置される。
【００４５】
ギヤハウジング６０１には、遊星減速ギヤ機構が収容されている。
【００４６】
シャフト１０１、２０１の前端部にはサンギヤ５０２、５０３が軸方向に近接して固着され、サンギヤ５０２はプラネタリギヤ５０４を介してリングギヤ５０６に、サンギヤ５０３はプラネタリギヤ５０５を介してリングギヤ５０７に噛合している。プラネタリギヤ５０４、５０５は軸受５０９、５１０を介して共通のシャフト（支軸）５０８に回転自由に支承されている。シャフト５０８はシャフト（出力軸あるいは入出力軸））５０１の後端径大部に固定され、シャフト５０１は軸受４０５を介してギヤハウジング６０１に回転自在に支承されている。
【００４７】
リングギヤ５０６はギヤハウジング６０１の内周面に固定され、リングギヤ５０７は軸受５１１を介してギヤハウジング６０１の内周面に回動自在に支承されている。リングギヤ５０７の前側面は、ギヤハウジング６０１に設けられた回転型アクチュエータ７００の出力軸に設けられたウォームギヤ７０１と噛合するギヤ部５１２を有している。ギヤハウジング６０１の内部には潤滑油が適量注入されており、潤滑油を外部に漏らさないためにオイルシール９０１とオイルシール９０２が各々ギヤハウジング６０１とプラネタリキャリヤ（シャフト）５０１間、ギヤハウジング６０１とシャフト１０１間に配設されている。
【００４８】
８０１、８０２は回転位置センサであって、それぞれ第１のマグネット型ロータ１００と第２のマグネット型ロータ２００の位置をセンシングしている。
（基本動作）
第１のマグネット型ロータ１００及び第２のマグネット型ロータ２００が電機子コイル３０２の回転磁界に同期して回転する時、両ロータ１００、２００がそれぞれ形成する両界磁束ベクトルと電機子コイル３０２の回転磁界ベクトル（電機子電流ベクトル）との間のそれぞれの位相角の変動により、両ロータ１００、２００のトルクが変動することは同期機原理により周知である。
【００４９】
遊星減速ギヤ機構では、両ロータ１００、２００のトルクはサンギヤ５０２、５０３、プラネタリギヤ５０４、５０５を介してシャフト（出力軸）５０１で合成されて合成トルクとなる。回転型アクチュエータ７００のウォームギヤ７０１を回転させてリングギヤ（インターナルギヤ）５０７を回動させると、それに応じてサンギヤ５０３が回動し、ロータ２００をロータ１００に対して相対回動させることができる。したがって、両ロ−タ間の相対角の調節により、両ロータ１００、２００の界磁束ベクトルと電機子電流ベクトルとの間の位相角と合成トルクとの関係は変化する。
【００５０】
回転型アクチュエータ７００と上記遊星減速ギヤ機構は、本発明でいうロ−タ相対角度調整部を構成している。
【００５１】
（位相角制御動作）
この２つのマグネット型ロ−タをタンデム配置した同期機の動作を図２、図３を参照して以下に説明する。
【００５２】
第１のマグネット型ロータ１００と第２のマグネット型ロータ２００は、図２、図３において反時計方向に回転するものとする。
【００５３】
第１のマグネット型ロータ１００の鉄心１０２は、永久磁石１０３ａから発生した磁束が固定子鉄心３０１を通じて永久磁石１０３ｂに戻る第１の磁気回路を形成する。固定子２の電機子コイル（ステ−タコイル）３０２は３相巻線構造を有し、３相交流電流の通電により回転磁界を発生する。この回転磁界の方向は、振幅一定で正弦波状に変化する３相交流電流の各相電流値で決定される。３相交流電流の周波数は、回転子の回転周波数×極数／２と一致させているので、電機子電流による回転磁界のベクトル方向は、永久磁石１０３が作る回転磁界のベクトル方向に対して所定の位相角度に固定された状態となる。この位相角を制御することにより、電機子コイル３０２に流れる電流量が同じでも、第１のマグネット型ロータ１００が発生するトルクを変化させることができる。ここでは、永久磁石１０３ａが作る磁束の方向と回転磁界（電機子電流磁界）の方向が一致したところを位相角０°と定義し、回転方向に回転磁界を回転させる方向を位相角増加方向とすると、第１のマグネット型ロータ１００の位相角とトルクの関係は電機子電流一定条件で図４に示す形状となる。なお、この位相角は電気角で示されており、本実施例の場合は８極であるから電気角＝機械角×４の関係がある。
【００５４】
同様に、第２のマグネット型ロータ２００の鉄心２０２は、永久磁石２０３ａから発生した磁束が鉄心３０３を通じて永久磁石２０３ｂに戻る磁気回路を形成する。第１の磁気回路と第２の磁気回路を同位相としたとき、電機子電流の位相とトルクの関係は図４に示した第１のマグネット型ロータ１００の発生トルクに等しくなる。
【００５５】
ここでは、第１のマグネット型ロータ１００の磁束方向と第２のマグネット型ロータ２００の磁束方向が一致した場合の両ロータの相対角度を０°と定義し、第１のマグネット型ロータ１００を基準に第２のマグネット型ロータ２００をロータ回転方向に進ませた（進相）方向を正の相対角度、遅らせた（遅相）方向を負の相対角度と定義する。
【００５６】
図５は相対角度０°の場合の第１のマグネット型ロータ１００、第２のマグネット型ロータ２００の発生トルクおよびそれらの合成トルクを表している。この状態では、位相角９０°の位置で第１のマグネット型ロータ１００の発生トルクと第２のマグネット型ロータ２００の発生トルクのピークが一致し、合成トルクは最大となる。合成トルクは、第１のマグネット型ロータ１００の発生するトルクと第２のマグネット型ロータ２００の発生トルクを各々のサンギヤ５０２、５０３、プラネタリギヤ５０４、５０５を介して出力軸５０１で合成されたものであり、実際にはギヤ比分倍増している。この相対角度０°での運転は、低回転数域で大トルクの電動動作が必要な場合に好適である。
【００５７】
高回転数域で電動動作させる場合には、リングギヤ５０７をロータの回転方向と逆方向に回転させることにより、第２のマグネット型ロータ２００を進相させて、両ロータ１００、２００の相対角度を電気角０°〜＋１８０°（機械角０°〜＋４５°）とする。これにより、共通の電機子巻線３０２に発生する誘起電圧を低減することができるため、高回転域においても電機子電流による弱め界磁電流を通電する必要はない。図６に相対角度＋９０°とした場合の電流位相に対する両ロータの発生トルクおよびその合成トルクを示す。この場合、合成トルクは位相角１３５°の位置で最大となる。
【００５８】
相対角度＋１８０°の場合の各トルクおよびそれら合成トルクと位相角との関係を示す。相対角度１８０°では、両ロータ１００、２００の発生トルクが互いに打ち消され合成トルクがゼロとなると共に、誘起電圧も互いに打ち消しゼロとなる。
【００５９】
すなわち、上記説明したこの実施例の２ロータ型同期機では、並列型遊星減速ギヤ機構の一方のリングギヤを回動制御可能とすることにより、電機子巻線に鎖交する合成界磁束を調節することができるので、高回転数域においても弱め界磁を行う必要はなく、トルク電流と弱め界磁電流との和で構成される電機子電流の電流値を弱め界磁電流分だけ低減することができる。したがって、回転機駆動回路（交直双方向変換回路）の素子を小型化することができ、駆動回路のコスト低減が可能となる。また電流を低減することで銅損が減少し、回転機効率を向上することができる。
【００６０】
なお、上記実施例では、第１のマグネット型ロータ１００と第２のマグネット型ロータ２００の位置を各々回転位置センサを用いて測定したが、回転型アクチュエータ７００もしくはリングギヤ５０７の角度位置が分かる場合は、どちらか一方のロータのみの角度位置を求め、他のロータの角度位置は計算から求めても良い。
【００６１】
結局、電動動作又は発電動作を正常に行っている場合には、正又は負の合成トルクの最大値が必要トルクに等しい位相角位置に、両ロータの位相角を適宜調整すればよい。
【００６２】
又は、機械的に位相角を調整できないロータを電動動作時に位相角９０度、発電動作時に位相角２７０度（ー９０度）すなわちトルク最大で運転しておき、必要トルクの大きさに応じて、機械的に位相角を調整できるロータの電機子電流ベクトルに対する位相角を適宜調節するようにしてもよい。
【００６３】
【実施例２】
他の実施例を図８、図９を用いて説明する。
【００６４】
この実施例は、両ロータを固定子の径方向両側に個別に配置し、更に並列遊星減速ギヤ機構を径内側のロ−タの更に径内側に収容して回転電機の軸方向長を短縮したものであり、回転電機は車両エンジンとトランスミッション間に配置されていわゆるスタータ作用、回生制動作用、トルクアシスト作用、必要電力発電作用を果たす。
【００６５】
固定子３０は、積層電磁鋼板からなる鉄心３１に電機子巻線３２が巻装されてなり、モータハウジング６０に複数の支柱３３により固定されている。固定子３０の径内側には第１のマグネット型ロータ１０が、固定子３０の径外側には第２のマグネット型ロータ２０が小ギャップを介して対向して配設されている。図９は図８のＣーＣ矢視断面を示す。
【００６６】
第１のマグネット型ロータ１０は、積層電磁鋼板からなる鉄心１２と、中空のシャフト１１と、鉄心１２の内部に埋め込まれた永久磁石１３とにより構成されている。鉄心１２には磁石挿入穴１４が設けられている。永久磁石１３は、厚さ方向（回転子挿入状態で径方向）に着磁されて磁石挿入穴１４に極性交互に挿入されている。すなわち、永久磁石１３は互いに極性配置が反対の２種類の永久磁石１３ａ、１３ｂからなる。
【００６７】
第２のマグネット型ロータ２０は、積層電磁鋼板からなる鉄心２２と、中空のシャフト２１と、鉄心２２の内部に埋め込まれた永久磁石２３とにより構成されている。鉄心２２には磁石挿入穴２４が設けられている。永久磁石２３は、厚さ方向（回転子挿入状態で径方向）に着磁されて磁石挿入穴２４に極性交互に挿入されている。すなわち、永久磁石２３は互いに極性配置が反対の２種類の永久磁石２３ａ、２３ｂからなる。
【００６８】
第１のマグネット型ロータ１０のシャフト１１は、第２のマグネット型ロータ２０のシャフト２１の外周面に装着された軸受４３、４４を介してシャフト２１即ち第２のマグネット型ロータ２０に対して回転自在に支承されている。
【００６９】
第２のマグネット型ロータ２０のシャフト２１は軸受４１、４２を介してクラッチプレ−ト２０００に回転自在に支承されている。
【００７０】
径方向に同軸配置されたシャフト１１、２１の径内側の筒部にはサンギヤ５２、５３が軸方向に近接して固着されている。サンギヤ５２はプラネタリギヤ５４を介してリングギヤ５６に、サンギヤ５３はプラネタリギヤ５５を介して５７に噛合し、プラネタリギヤ５４、５５は共通のシャフト（支軸）５８に回転自在に支承されている。シャフト５８はプラネタリキャリヤ５１に固定され、プラネタリキャリヤ５１はエンジンクランク軸１０００およびクラッチプレ−ト２０００に固定されている。
【００７１】
リングギヤ５６はハウジング６０に固定され、リングギヤ５７は軸受５９を介してハウジング６０に対して回動自在に支承されている。リングギヤ５７は、ハウジング６０に固定された回転型アクチュエータ７０の出力側に設けられた伝達機構７１と噛み合うギヤ部７２を有している。
【００７２】
８１、８２は回転位置センサであって、第１のマグネット型ロータ１０と第２のマグネット型ロータ２０との位置をそれぞれセンシングしている。
【００７３】
この実施例の回転電機の動作特性は、図１０〜図１２に示すように実施例１のそれと基本的に同じである。ただし、実施例２では、両ロータ１０、２０の永久磁石配置の関係で相対角度とトルク特性との関係は逆となり、相対角度＋１８０度で合成トルクは最大となり、相対角度０度で合成トルクは０となる。
【００７４】
【実施例３】
上記実施例１又は２の回転電機を電気自動車又はハイブリッド電気自動車又は燃料電池自動車の走行モータとして用いる実施例を図１３に示すブロック回路図を参照して説明する。
【００７５】
２ｃは上記実施例１又は実施例２で説明した回転電機、３ｃは回転機２ｃとバッテリ４ｃとの間の電力授受を制御する三相インバータ回路（交直双方向変換回路）、７ａ、７ｂは回転機のロータ位置を検出する回転位置センサ、５ｃは回転位置センサ７ａ、７ｂからのロータ角度および外部からのトルク指令に基づいてインバータ３ｃを制御するコントローラ、６ｃはバッテリ４ｃと並列接続された平滑コンデンサ、８ｃは位置決め用の回転型アクチュエータである。
【００７６】
高速走行時にコントローラが行うインバータの制御が不調となり、その上、バッテリ２が満充電などで電流吸収ができない場合を考える。
【００７７】
通常の同期機であれば、電機子電流が流れないということは電機子コイルの三相出力端が開放されたに等しいために、電機子コイルの三相出力端に誘導される発電電圧は開放電圧にほとんど等しくなり、高速走行時には大きな発電電圧が三相インバータ回路３ｃの各半導体スイッチング素子や平滑コンデンサ６ｃやバッテリ４ｃに高速走行期間中ずっと印加され、それらに悪影響を及ぼすことを免れない。これが、マグネット型ロ−タ型同期機を車両走行モータとして用いる場合における従来では解決が困難であった重大問題である。
【００７８】
これに対し、本実施例では、回転機２ｃの発電電圧はロータ相対角度の調整更に具体的に言えば回転型アクチュエータ８ｃによるリングギヤを通じての両ロータの一方の位相角を他方の位相角に対して所定の相対角度を与える制御により、この発電電圧を減少させる。
【００７９】
その結果、インバータ３ｃや平滑コンデンサ６ｃの必要耐圧を低減することができ、バッテリ４ｃへの過充電の防止を実現することができるという実用上優れた作用効果を奏することができる。すなわち、上記制御不調時でバッテリ４ｃの満充電時には、実施例１では両ロータの相対角度が１８０°になるようにリングギヤ５０７の原点復帰位置を、実施例２では両ロータの相対角度が０°となるように回動可能リングギヤを制御すればよい。具体的には、インバータ回路の三相出力電圧波形や電流波形により制御不調を検出した場合に、上記制御を行えばよい。
（変形態様）
上記実施例では、両ロータをどちらもマグネット型ロ−タとしたが、一方又は両方のロータを、永久磁石界磁極と磁気突極型界磁極との両方を設けて、永久磁石界磁極による界磁束と、磁気突極型界磁極による界磁束の両方を発生させるようにしてもよい。たとえば、一方のロータがこれら両方の界磁極による合成トルクを発生する場合、この合成トルクと、もう一方のロータのトルクとの和により、出力トルクが決定される。
【００８０】
【実施例４】
本発明の２ロータ型同期機の実施例４を図１４を参照して以下に説明する。
【００８１】
この実施例は、実施例１において、第２ロータ２００を磁気突極型界磁極を有する磁気突極型ロータに変更したものである。
【００８２】
すなわち、この実施例の第２ロータ２００は、磁気突極型ロータ２００からなる。
【００８３】
磁気突極型ロータ２００は、積層電磁鋼板からなる鉄心２０２と、シャフト２０１とにより構成されている。鉄心２０２のＢーＢ矢視断面を図１５に示す。
【００８４】
（構成）
鉄心２０２には、凸側が径方向内側に向けて設けられた４種類の凸形状スリット２０３ａ〜２０３ｄを１セットとしたスリット群２０３が、周方向定間隔に８セット設けられている。
【００８５】
回転位置センサ８０１及び回転位置センサ８０２はマグネット型ロータ１００と磁気突極型ロータ２００の位置とをセンシングする。
【００８６】
（動作）
この２ロータ型同期機の動作を以下に説明する。マグネット型ロータ１００と磁気突極型ロータ２００は、図２、図１５において反時計方向に回転するものとする。
【００８７】
マグネット型ロータ１００の動作は実施例１と同じである。
【００８８】
磁気突極型ロータ２００の鉄心２０２は、隣り合うスリット群２０３間の境界部が磁気的突極（磁束が通り易い）となり、スリット群２０３の中心方向が逆突極（磁束が通り難い）となっている。３相交流の電機子電流により作られる回転磁界（電機子電流回転磁界）により、鉄心２０２及び固定子３００を磁束が流れ、磁気回路を形成する。電機子電流回転磁界は、鉄心２０２の突極方向と電機子電流回転磁界の方向とが一致したときに界磁束は最大となり、前記逆突極方向と電機子電流回転磁界の方向とが一致したときには界磁束は最少となる。この関係により発生するリラクタンストルクと電機子電流ベクトルの位相角とリラクタンストルクとの関係は図１６に示すようになり、２ロータ型同期機はマグネットトルクとこのリラクタンストルクとの合成トルクは図１６の位相特性をもつ。なお、図１６では、電機子電流一定、突極方向と回転磁界の方向とが一致したところを位相角０°と定義し、位相角増加方向はマグネット型ロータの場合と同一とする）。磁気突極型ロータ２００の場合、回転磁界の方向が突極方向の中心位置及び逆突極方向の中心位置に一致したときに最大トルクが発生する。
【００８９】
マグネット型ロータ１００の磁束方向と磁気突極型ロータ２００の突極方向が一致した場合の両ロータの相対角度を０°と定義し、マグネット型ロータ１００を基準に磁気突極型ロータ２００をロータ回転方向に進ませた（進相）方向を正の相対角度、遅らせた（遅相）方向を負の相対角度と定義する。
【００９０】
図４は相対角度０°の場合のマグネット型ロータ１００、磁気突極型ロータ２００の発生トルクおよびそれらの合成トルクを表している。
【００９１】
この２ロータ型同期機を低回転数域で電動駆動させる場合には、リングギヤ５０７をロータの回転方向と逆方向に回転させることにより、磁気突極型ロータ２００を進相させ、相対角度を＋４５°（電気角＝機械角１１．２５°）とする。
【００９２】
図１７に相対角度＋４５°とした場合の電流位相に対する両ロータの発生トルクおよびその合成トルクを示す。この状態では、位相角９０°の位置でマグネット型ロータ１００の発生トルクのピークと磁気突極型ロータ２００の発生トルクのピークとが一致し、合成トルクは最大となる。
【００９３】
次に、この２ロータ型同期機を高回転数域で電動駆動する場合には、マグネット型ロ−タ１００の永久磁石磁束を打ち消す必要があるために
一般には位相角を９０°〜１８０°で駆動する。この場合でも、駆動位相角に磁気突極型ロータ２００の発生トルクのピークを一致させることで、常に最大トルク（出力）駆動が可能となる。この場合の合成トルクの位相特性を図１８に示す。
【００９４】
次に、この２ロータ型同期機を低回転数域で発電機として駆動させる場合には、リングギヤ５０７をロータの回転方向と同方向に回転させることにより、磁気突極型ロータ２００を遅相させて相対角度をー４５°（電気角＝機械角ー１１．２５°）とする。図１９に相対角度ー４５°とした場合の電流位相に対する両ロータおよびその合成トルクを示す。この状態では、位相角２７０°の位置でマグネット型ロータ１００の発生するトルクと磁気突極型ロータ２００の発生するトルクのピークが一致し、合成トルク（出力）を最大化できる。
【００９５】
次に、この２ロータ型同期機を高回転数域で発電機として駆動する場合には、一般には位相角を１８０°〜２７０°で駆動する。この場合でも、駆動位相角に磁気突極型ロータ２００の発生トルクのピークを一致させることで、常に出力最大の駆動が可能となる。この状態を図２０に示す。
【００９６】
（実施例効果）
この実施例の基本的な作用効果は実施例１のそれと同様であるが、更に磁気突極型ロータ２００は磁石が無い分軽量化することができ、遠心力による径外方向への鉄心のたわみを減らすことができる。従って、磁気突極型ロータ２００の外径を予め大きくとり、固定子３００とのエアギャップを小さく設定することで、磁気突極型ロータ２００の発生トルクおよびマグネット型ロータ１００との合成トルクを増大できる。
【００９７】
（変形態様）
実施例４と同じく、実施例２の２ロータ型同期機に磁気突極型ロータを用いてもよく、この場合には図２１に断面図示するように遠心力が大きい径外側のロ−タ２０を磁気突極型ロータとすることが好ましい。
【００９８】
図２１において、磁気突極型ロータ２０は、積層電磁鋼板からなる鉄心２２と、中空のシャフト２１とにより構成されている。図２１において、鉄心２２には、凸側が径方向外側に向けて設けられた種類の凸形状スリット２３ａ〜２３ｃを１セットしたスリット群２３が、周方向定間隔に設けられている。
【００９９】
結局、磁気突極型ロータを用いることにより、マグネット型ロ−タの永久磁石界磁束を減少することができ、これにより、動作不調時における回転電機の出力開放電圧（マグネット型ロ−タの界磁束と回転数とで規定される）を、回路の耐電圧以下に抑止しつつ、必要なトルク値を磁気突極型ロータの追加により稼ぎだすことができ、安全性と大出力とを同時に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の２ロータ型同期機の模式軸方向断面図である。
【図２】 図１の２ロータ型同期機のＡ−Ａ線矢視模式断面図である。
【図３】 図１の２ロータ型同期機のＢ−Ｂ線矢視模式断面図である。
【図４】 図１の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図５】 図１の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図６】 図１の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図７】 図１の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図８】 実施例２の２ロータ型同期機の模式軸方向断面図である。
【図９】 図８の２ロータ型同期機のＣ−Ｃ線矢視模式断面図である。
【図１０】 図８の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図１１】 図８の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図１２】 図８の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図１３】 図１又は図８の２ロータ型同期機を車両走行モータとして用いる回路を示すブロック回路図である。
【図１４】 実施例４の２ロータ型同期機の模式軸方向断面図である。
【図１５】 図１４の２ロータ型同期機のＢ−Ｂ線矢視模式断面図である。
【図１６】 図１４の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図１７】 図１４の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図１８】 図１４の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図１９】 図１４の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図２０】 図１４の２ロータ型同期機のトルクー位相角特性図である。
【図２１】 実施例４の変形態様を示す模式径方向断面図である。
【符号の説明】
１００：第１のマグネット型ロータ（ロータ）
２００：第２のマグネット型ロータ（ロータ）
７００：回転アクチュエータ（ロ−タ相対角度調整部）
３０１：鉄心（ステ−タコア）
３０２：電機子コイル
３０３：鉄心（ステ−タコア）

Claims (7)

1. 界磁極を有して相対回動可能に同軸配置された一対のロータと、
   前記両ロ−タの少なくとも一方の回転界磁磁界ベクトルを前記電機子電流ベクトルに対して機械的に回動させるロ−タ相対角度調整部と、
   前記両ロータの界磁極により形成される界磁束とそれぞれ鎖交する電機子コイルを有してハウジングに固定されるステータコアと、
   を備えることを特徴とする２ロータ型同期機。
2. 請求項１記載の２ロータ型同期機において、
   前記両ロ−タは、軸方向に隣接して同軸配置され、
   前記両ロ−タの一方が有する回転軸は、前記両ロ−タの他方が有する回転軸を貫通して軸方向に突出する突出部を有し、
   前記ロ−タ相対角度調整部は、前記両ロ−タの他方に軸方向に隣接して前記両回転軸に噛合する遊星減速ギヤ機構を有することを特徴とする２ロータ型同期機。
3. 請求項１記載の２ロータ型同期機において、
   前記両ロ−タは前記ステータコアの内周面及び外周面に個別に対面し、
   前記ロ−タ相対角度調整部は、径内側の前記ロータの更に径内側に収容されて前記両回転軸に噛合する遊星減速ギヤ機構を有することを特徴とする２ロータ型同期機。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載の２ロータ型同期機において、
   前記両ロ−タは、永久界磁極を有するマグネット型ロ−タからなることを特徴とする２ロータ型同期機。
5. 請求項１記載の２ロータ型同期機において、
   前記両ロ−タの一方は、前記界磁極として少なくとも永久界磁極を有するマグネット型ロ−タからなり、他方は、磁気突極型界磁極のみを有する磁気突極型ロータからなることを特徴とする２ロータ型同期機。
6. 請求項２又は３記載の２ロータ型同期機において、
   前記ロ−タ相対角度調整部は、
   前記両ロータの回転軸に個別に固定された一対のサンギヤと、
   同一の支軸にそれぞれ回転自在に支承されて前記両サンギヤに個別に噛合する一対のプラネタリギヤと、
   前記両プラネタリギヤと個別に噛合する一対のリングギヤと、
   前記ハウジングに固定されて前記両リングギヤの一方を回動させるリングギヤ回動機構と、
   を有することを特徴とする２ロータ型同期機。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載の２ロータ型同期機において、
   前記電機子コイルは、交直双方向変換回路と電力授受し、
   前記ロ−タ相対角度調整部は、前記電機子コイルの誘起電圧が所定しきい値以下となるように前記両ロ−タの少なくとも一方の回転界磁磁界を前記電機子電流回転磁界に対して機械的に回動させることを特徴とする２ロータ型同期機。

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