JP4747184B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の可動子または固定子を有し、供給された電力を動力に変換して可動子から出力する電動機に関する。

従来のこの種の電動機として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この電動機は、いわゆる回転機であり、第１回転軸および第２回転軸にそれぞれ連結された第１ロータおよび第２ロータと、単一のステータを備えている。第１および第２の回転軸は互いに同心状に配置されており、第１ロータ、第２ロータおよびステータは、第１回転軸の径方向に、内側からこの順で並んでいる。

第１ロータは、各々が周方向に並んだ複数の第１永久磁石および第２永久磁石を有しており、第１および第２の永久磁石は、第１ロータの軸線方向に互いに並列に並んでいる。ステータは、電力の供給により、周方向に回転する第１回転磁界および第２回転磁界を発生させるように構成されており、この第１回転磁界は、第１ロータの第１永久磁石側の部分との間に発生し、この第２回転磁界は、第１ロータの第２永久磁石側の部分との間に発生する。第２ロータは、各々が周方向に並んだ複数の第１コアおよび第２コアを有している。これらの第１および第２のコアは、軟磁性体で構成されており、第１コアは、第１ロータの第１永久磁石側の部分とステータの間に配置され、第２コアは、第１ロータの第２永久磁石側の部分とステータの間に配置されている。第１および第２の永久磁石の磁極、第１および第２の回転磁界の磁極、ならびに、第１および第２のコアの数は、互いに同じに設定されている。

以上の構成の電動機では、ステータへの電力供給による第１および第２の回転磁界の発生に伴い、第１および第２の回転磁界の磁極と第１および第２の永久磁石の磁極により、第１および第２のコアが磁化されることによって、これらの要素の間に磁力線が発生する。また、この磁力線の磁力による作用により、第１および第２のロータが駆動され、ひいては、第１および第２の回転軸から動力が出力される。

上述した従来の電動機では、その構成上、ステータに供給した電力を動力に変換して第１回転軸や第２回転軸から出力すべく、上記の磁力線による磁力を適切に作用させるためには、複数の第１コアから成る第１軟磁性体列だけでなく、複数の第２コアから成る第２軟磁性体列が必要不可欠であり、電動機の大型化や製造コストの増大を招くことは避けられない。また、電動機は、その構成上、第１および第２の回転磁界の回転数と第２ロータの回転数との差と、第２ロータの回転数と第１ロータの回転数との差が同じになるような速度関係でしか成立しないため、その設計の自由度が低い。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、小型化および製造コストの削減を図ることができるとともに、設計の自由度を高めることができる電動機を提供することを目的とする。

特開２００８−６７５９２号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る電動機１、３１は、所定方向に並んだ所定の複数の磁極（永久磁石４ａ、３４ａ）で構成され、隣り合う各２つの磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する第１構造体（第１ロータ４，第１回転軸６、第２ステータ３４）と、所定方向に並んだ複数の電機子（鉄芯３ａ，Ｕ相〜Ｗ相のコイル３ｃ〜３ｅ、鉄芯３３ａ，Ｕ相〜Ｗ相のコイル３３ｃ〜３３ｅ）で構成されるとともに、磁極列に対向するように配置され、電力の供給に伴って複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極により、所定方向に移動する移動磁界を磁極列との間に発生させる電機子列を有する第２構造体（ステータ３、第１ステータ３３）と、互いに間隔を隔てて所定方向に並んだ所定の複数の軟磁性体（コア５ａ、コア３５ｂ）で構成され、磁極列と電機子列の間に位置するように配置された軟磁性体列を有する第３構造体（第２ロータ５，第２回転軸７、可動子３５）と、を備え、所定方向に沿う所定の区間における電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、１：ｍ：（１＋ｍ）／２（ｍ≠１．０）に設定されていることを特徴とする。

この電動機によれば、互いに対向する第１構造体の磁極列と第２構造体の電機子列の間に位置するように、第３構造体の軟磁性体列が配置されており、これらの磁極列、電機子列および軟磁性体列をそれぞれ構成する複数の磁極、電機子および軟磁性体は、所定方向に並んでいる。また、電機子列への電力の供給に伴い、複数の電機子磁極が発生し、これらの電機子磁極による移動磁界が、磁極列との間に発生するとともに、所定方向に移動する。さらに、隣り合う各２つの磁極が互いに異なる極性を有しており、隣り合う各２つの軟磁性体間には、間隔が空いている。上記のように、磁極列と電機子列の間において、複数の電機子磁極による移動磁界が発生するとともに軟磁性体列が配置されていることから、軟磁性体は、電機子磁極と磁極によって磁化される。このことと、上記のように隣り合う各２つの軟磁性体間に間隔が空いていることによって、磁極と軟磁性体と電機子磁極を結ぶような磁力線が発生する。また、この磁力線による磁力の作用により、電機子に供給された電力が動力に変換され、第１構造体や、第２構造体、第３構造体から出力される。

この場合、例えば、本発明の電動機を次の条件（ａ）および（ｂ）の下に構成したときには、移動磁界、第１および第３の構造体の間の速度の関係と、第１〜第３の構造体の間のトルクの関係は、次のように表される。また、電動機に相当する等価回路は、図１９のように示される。
（ａ）電動機が回転機であり、電機子がＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相コイルを有する
（ｂ）電機子磁極が２個、磁極が４個、すなわち、電機子磁極のＮ極およびＳ極を１組とする極対数が値１、磁極のＮ極およびＳ極を１組とする極対数が値２であり、軟磁性体が３個である
なお、このように、本明細書で用いる「極対」は、Ｎ極およびＳ極の１組をいう。

この場合、軟磁性体のうちの第１軟磁性体を通過する磁極の磁束Ψｋ１は、次式（１）で表される。

ここで、ψｆは磁極の磁束の最大値、θ１およびθ２は、Ｕ相コイルに対する磁極の回転角度位置および軟磁性体の回転角度位置である。また、この場合、電機子磁極の極対数に対する磁極の極対数の比が値２．０であるため、磁極の磁束が移動磁界に対して２倍の周期で回転（変化）するので、上記の式（１）では、そのことを表すために、（θ２−θ１）に値２．０が乗算されている。

したがって、第１軟磁性体を介してＵ相コイルを通過する磁極の磁束Ψｕ１は、式（１）にｃｏｓθ２を乗算することで得られた次式（２）で表される。

同様に、軟磁性体のうちの第２軟磁性体を通過する磁極の磁束Ψｋ２は、次式（３）で表される。

電機子に対する第２軟磁性体の回転角度位置が、第１軟磁性体に対して２π／３だけ進んでいるため、上記の式（３）では、そのことを表すために、θ２に２π／３が加算されている。

したがって、第２軟磁性体を介してＵ相コイルを通過する磁極の磁束Ψｕ２は、式（３）にｃｏｓ（θ２＋２π／３）を乗算することで得られた次式（４）で表される。

同様に、軟磁性体のうちの第３軟磁性体を介してＵ相コイルを通過する磁極の磁束Ψｕ３は、次式（５）で表される。

図１９に示すような電動機では、軟磁性体を介してＵ相コイルを通過する磁極の磁束Ψｕは、上記の式（２）、（４）および（５）で表される磁束Ψｕ１〜Ψｕ３を足し合わせたものになるので、次式（６）で表される。

また、この式（６）を一般化すると、軟磁性体を介してＵ相コイルを通過する磁極の磁束Ψｕは、次式（７）で表される。

ここで、ａ、ｂおよびｃはそれぞれ、磁極の極対数、軟磁性体の数および電機子磁極の極対数である。
また、この式（７）を、三角関数の和と積の公式に基づいて変形すると、次式（８）が得られる。

この式（８）において、ｂ＝ａ＋ｃとするとともに、ｃｏｓ（θ＋２π）＝ｃｏｓθに基づいて整理すると、次式（９）が得られる。

この式（９）を三角関数の加法定理に基づいて整理すると、次式（１０）が得られる。

この式（１０）の右辺の第２項は、ａ−ｃ≠０を条件として、級数の総和やオイラーの公式に基づいて整理すると、次式（１１）に示すように値０になる。

また、上記の式（１０）の右辺の第３項も、ａ−ｃ≠０を条件として、級数の総和やオイラーの公式に基づいて整理すると、次式（１２）に示すように値０になる。

以上により、ａ−ｃ≠０のときには、軟磁性体を介してＵ相コイルを通過する磁極の磁束Ψｕは、次式（１３）で表される。

また、この式（１３）において、ａ／ｃ＝αとすると、次式（１４）が得られる。

さらに、この式（１４）において、ｃ・θ２＝θｅ２とするとともに、ｃ・θ１＝θｅ１とすると、次式（１５）が得られる。

ここで、θｅ２は、Ｕ相コイルに対する軟磁性体の回転角度位置θ２に電機子磁極の極対数ｃを乗算していることから明らかなように、Ｕ相コイルに対する軟磁性体の電気角度位置を表す。また、θｅ１は、Ｕ相コイルに対する磁極の回転角度位置θ１に電機子磁極の極対数ｃを乗算していることから明らかなように、Ｕ相コイルに対する磁極の電気角度位置を表す。

同様に、軟磁性体を介してＶ相コイルを通過する磁極の磁束Ψｖは、Ｖ相コイルの電気角度位置がＵ相コイルに対して電気角２π／３だけ進んでいることから、次式（１６）で表される。また、軟磁性体を介してＷ相コイルを通過する磁極の磁束Ψｗは、Ｗ相コイルの電気角度位置がＵ相コイルに対して電気角２π／３だけ遅れていることから、次式（１７）で表される。

また、上記の式（１５）〜（１７）でそれぞれ表される磁束Ψｕ〜Ψｗを時間微分すると、次式（１８）〜（２０）がそれぞれ得られる。

ここで、ωｅ１は、θｅ１の時間微分値、すなわち、第２構造体に対する第１構造体の角速度を電気角速度に換算した値であり、ωｅ２は、θｅ２の時間微分値、すなわち、第２構造体に対する第３構造体の角速度を電気角速度に換算した値である。

さらに、軟磁性体を介さずにＵ相〜Ｗ相のコイルを直接、通過する磁束は、極めて小さく、その影響は無視できる。このため、軟磁性体を介してＵ相〜Ｗ相のコイルをそれぞれ通過する磁極の磁束Ψｕ〜Ψｗ（式（１８）〜（２０））の時間微分値ｄΨｕ／ｄｔ〜ｄΨｗ／ｄｔは、電機子列に対して磁極や軟磁性体が回転（移動）するのに伴ってＵ相〜Ｗ相のコイルに発生する逆起電圧（誘導起電圧）をそれぞれ表す。

このことから、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイルをそれぞれ流れる電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗは、次式（２１）、（２２）および（２３）で表される。

ここで、Ｉは、Ｕ相〜Ｗ相のコイルを流れる電流の振幅（最大値）である。

また、これらの式（２１）〜（２３）より、Ｕ相コイルに対する移動磁界（回転磁界）のベクトルの電気角度位置θｍｆは、次式（２４）で表されるとともに、Ｕ相コイルに対する移動磁界の電気角速度ωｍｆは、次式（２５）で表される。

また、電機子列が第２構造体とともに移動不能に構成されている場合において、Ｕ相〜Ｗ相のコイルに電流Ｉｕ〜Ｉｗがそれぞれ流れることで第１および第３の構造体に出力される機械的出力（動力）Ｗは、リラクタンス分を除くと、次式（２６）で表される。

この式（２６）に式（１８）〜（２３）を代入し、整理すると、次式（２７）が得られる。

さらに、この機械的出力Ｗと、磁極を介して第１構造体に伝達されるトルク（以下「第１トルク」という）Ｔ１と、軟磁性体を介して第３構造体に伝達されるトルク（以下「第２トルク」という）Ｔ２と、第１構造体の電気角速度ωｅ１および第３構造体の電気角速度ωｅ２との関係は、次式（２８）で表される。

これらの式（２７）および（２８）から明らかなように、第１および第２のトルクＴ１，Ｔ２は、次式（２９）および（３０）でそれぞれ表される。

また、電機子列に供給された電力および移動磁界の電気角速度ωｍｆと等価のトルクを駆動用等価トルクＴｅとすると、電機子列に供給された電力と機械的出力Ｗが互いに等しい（ただし、損失は無視）ことと、式（２８）から、この駆動用等価トルクＴｅは、次式（３１）で表される。

さらに、これらの式（２９）〜（３１）より、次式（３２）が得られる。

この式（３２）で表されるトルクの関係、および前記式（２５）で表される電気角速度の関係は、遊星歯車装置のサンギヤ、リングギヤおよびキャリアにおける回転速度およびトルクの関係とまったく同じである。また、このような電気角速度の関係およびトルクの関係は、上述した第２構造体を移動不能にした場合だけに限らず、あらゆる第１〜第３の構造体の移動の可否の条件において成立する。例えば、第２構造体を移動不能に構成せずに、第２構造体に動力を入力した状態で電力を供給した場合にも成立し、第２構造体に加え、第１または第３の構造体を移動不能に構成した場合や、第１または第３の構造体に動力を入力した状態で電機子列に電力を供給した場合にも成立する。また、第２構造体を移動可能に構成するとともに、第１および／または第３の構造体を移動不能に構成した場合や、第１および／または第３の構造体に動力を入力した状態で電力を供給した場合にも成立する。

さらに、前述したように、ｂ＝ａ＋ｃおよびａ−ｃ≠０を条件として、式（２５）の電気角速度の関係および式（３２）のトルクの関係が成立する。この条件ｂ＝ａ＋ｃは、磁極の数をｐ、電機子磁極の数をｑとすると、ｂ＝（ｐ＋ｑ）／２、すなわち、ｂ／ｑ＝（１＋ｐ／ｑ）／２で表される。ここで、ｐ／ｑ＝ｍとすると、ｂ／ｑ＝（１＋ｍ）／２が得られることから明らかなように、上記のｂ＝ａ＋ｃという条件が成立していることは、電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、１：ｍ：（１＋ｍ）／２であることを表す。また、上記のａ−ｃ≠０という条件が成立していることは、ｍ≠１．０であることを表す。本発明の電動機によれば、所定方向における所定の区間において、電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、１：ｍ：（１＋ｍ）／２（ｍ≠１．０）に設定されているので、式（２５）に示す電気角速度の関係および式（３２）に示すトルクの関係が成立し、電動機が適正に作動することが分かる。

また、前述した従来の場合と異なり、単一の軟磁性体列だけで電動機を作動させることができるので、電動機の小型化および製造コストの削減を図ることができる。さらに、式（２５）および（３２）から明らかなように、α＝ａ／ｃ、すなわち、電機子磁極の極対数に対する磁極の極対数の比を設定することによって、移動磁界、第２および第３の構造体の間の電気角速度の関係と、第１〜第３の構造体の間のトルクの関係を自由に設定でき、したがって、電動機の設計の自由度を高めることができる。この効果は、複数の電機子のコイルの相数が前述した値３以外の場合にも同様に得られ、また、電動機が回転機ではなく、リニアモータの場合にも同様に得られる。なお、リニアモータの場合、「トルク」ではなく、「推力」の関係を自由に設定できることはもちろんである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動機１、３１において、第１〜第３の構造体の相対的な位置関係を検出する相対位置関係検出手段（第１回転位置センサ２１，第２回転位置センサ２２，電気角変換器１６ｂ、位置センサ４１）と、検出された第１〜第３の構造体の相対的な位置関係に基づいて、移動磁界を制御する制御手段（ＥＣＵ１６）と、をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、相対位置関係検出手段によって、第１〜第３の構造体の３者の相対的な位置関係が検出されるとともに、検出された第１〜第３の構造体の３者の相対的な位置関係に基づき、移動磁界が制御手段によって制御される。これにより、磁極と軟磁性体と電機子磁極の間に磁力線を適切に発生させ、この磁力線による磁力を適切に作用させることができるので、電動機の適正な動作を確保することができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電動機１、３１において、相対位置関係検出手段（第１回転位置センサ２１，第２回転位置センサ２２，電気角変換器１６ｂ）は、第１〜第３の構造体の相対的な位置関係として、第２構造体に対する第１構造体および第３構造体の電気角度位置をそれぞれ検出し、制御手段は、検出された第３構造体の電気角度位置（第２ロータ電気角θＥＲ２）に（１＋ｍ）を乗算した値と、検出された第１構造体の電気角度位置（第１ロータ電気角θＥＲ１）にｍを乗算した値との差に基づいて、移動磁界を制御することを特徴とする。

この構成によれば、第２構造体に対する第３構造体の電気角度位置に（１＋ｍ）を乗算した値と、第２構造体に対する第１構造体の電気角度位置にｍを乗算した値との差に基づいて、移動磁界が制御される。このｍは、請求項１から明らかなように、電機子磁極の数に対する磁極の数の比を表す。また、請求項１の作用で述べたように、電動機の作動中、移動磁界の電気角度位置と第２および第３の構造体の電気角度位置の関係は、式（２４）で表される。この式（２４）におけるαは、電機子磁極の極対数に対する磁極の極対数の比（ａ／ｃ）、すなわち、電機子磁極の数に対する磁極の数の比を表し、ｍと等しい。したがって、上述した構成によれば、電動機のより適正な動作を確保することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の電動機１、３１において、磁極は永久磁石４ａ，３４ａの磁極であることを特徴とする。

この構成によれば、磁極として永久磁石の磁極を用いるので、電磁石の磁極を用いた場合と異なり、電磁石に電力を供給するための電気回路やコイルが不要になる。これにより、電動機をさらに小型化できるとともに、構成を単純化することができる。また、例えば、磁極を有する第１構造体を回転可能に構成した場合に、磁極として電磁石の磁極を用いたときの電力供給用のスリップリングが不要になり、その分、電動機を小型化できるとともに、効率を高めることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機１において、電動機は回転機であることを特徴とする。

この構成によれば、請求項１ないし４のいずれかで述べた効果を、回転機において得ることができる。

請求項６に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機３１において、電動機はリニアモータであることを特徴とする。

この構成によれば、請求項１ないし４のいずれかで述べた効果を、リニアモータにおいて得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態による電動機１を示している。この電動機１は、回転機として構成されており、その動作が、図２に示すＥＣＵ１６によって制御される。図１に示すように、電動機１は、不動のケース２と、ケース２内に設けられたステータ３と、ケース２内にステータ３に対向するように設けられた第１ロータ４と、両者３，４の間に設けられた第２ロータ５と、第１回転軸６および第２回転軸７を備えている。なお、図１では、第１回転軸６などの一部の要素を、図示の便宜上、スケルトン図的に描いている。また、図１および後述する他の図面では、断面を示す部分のハッチングを省略している。

ケース２は、円筒状の周壁２ａと、この周壁２ａの両端部に一体に設けられた円板状の一対の側壁２ｂ，２ｃを有している。これらの側壁２ｂ，２ｃの中央には、取付孔２ｄ，２ｅがそれぞれ形成されており、これらの取付孔２ｄ，２ｅには、軸受け８および９がそれぞれ取り付けられている。

上記の第１および第２の回転軸６，７は、軸受け８，９に回転自在にそれぞれ支持されており、互いに同心状に配置されている。また、第１および第２の回転軸６，７はいずれも、その一部がケース２内に収容され、残りがケース２の外方に突出している。さらに、上記のステータ３、第２ロータ５および第１ロータ４は、第１回転軸６の径方向（以下、単に「径方向」という）に、外側からこの順で並んでおり、同心状に配置されている。

ステータ３は、回転磁界を発生させるものであり、図３に示すように、鉄芯３ａと、この鉄芯３ａに設けられたＵ相、Ｖ相およびＷ相のコイル３ｃ，３ｄ，３ｅを有している。なお、図１では、便宜上、Ｕ相コイル３ｃのみを示している。鉄芯３ａは、複数の鋼板を積層した円筒状のものであり、第１回転軸６の軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に延びており、ケース２の周壁２ａの内周面に取り付けられている。また、鉄芯３ａの内周面には、１２個のスロット３ｂが形成されており、これらのスロット３ｂは、軸線方向に延びるとともに、第１回転軸６の周方向（以下、単に「周方向」という）に等間隔で並んでいる。上記のＵ相〜Ｗ相のコイル３ｃ〜３ｅは、スロット３ｂに分布巻き（波巻き）で巻回されるとともに、可変電源１５に接続されている（図２参照）。この可変電源１５は、インバータなどからなる電気回路とバッテリを組み合わせたものであり、ＥＣＵ１６に接続されている。

以上の構成のステータ３では、可変電源１５から電力が供給されたときに、鉄芯３ａの第１ロータ４側の端部に、４個の磁極が周方向に等間隔で発生する（図５参照）とともに、これらの磁極による回転磁界が周方向に回転する。以下、鉄芯３ａに発生する磁極を「電機子磁極」という。また、周方向に隣り合う各２つの電機子磁極の極性は、互いに異なっている。なお、図５や後述する他の図面では、電機子磁極を、鉄芯３ａやＵ相〜Ｗ相のコイル３ｃ〜３ｅの上に、（Ｎ）および（Ｓ）で表記している。

図３に示すように、第１ロータ４は、８個の永久磁石４ａから成る磁極列を有している。これらの永久磁石４ａは、周方向に等間隔で並んでおり、この磁極列は、ステータ３の鉄芯３ａに対向している。各永久磁石４ａは、軸線方向に延びており、その軸線方向の長さが、ステータ３の鉄芯３ａのそれと同じに設定されている。

また、永久磁石４ａは、リング状の固定部４ｂの外周面に取り付けられている。この固定部４ｂは、軟磁性体、例えば鉄または複数の鋼板を積層したもので構成されており、その内周面が、第１回転軸６に一体に同心状に設けられた円板状のフランジ４ｃの外周面に取り付けられている。これにより、永久磁石４ａを含む第１ロータ４は、第１回転軸６と一体に回転自在になっている。さらに、上記のように軟磁性体で構成された固定部４ｂの外周面に永久磁石４ａが取り付けられているので、各永久磁石４ａには、ステータ３側の端部に、（Ｎ）または（Ｓ）の１つの磁極が現れる。なお、図３や後述する他の図面では、永久磁石４ａの磁極を（Ｎ）および（Ｓ）で表記している。また、周方向に隣り合う各２つの永久磁石４ａの極性は、互いに異なっている。

第２ロータ５は、６個のコア５ａから成る軟磁性体列を有している。これらのコア５ａは、周方向に等間隔で並んでおり、この軟磁性体列は、ステータ３の鉄芯３ａと第１ロータ４の磁極列との間に、それぞれ所定の間隔を隔てて配置されている。各コア５ａは、軟磁性体、例えば複数の鋼板を積層したものであり、軸線方向に延びている。また、コア５ａの軸線方向の長さは、永久磁石４ａと同様、ステータ３の鉄芯３ａのそれと同じに設定されている。さらに、コア５ａは、円板状のフランジ５ｂの外端部に、軸線方向に若干延びる筒状の連結部５ｃを介して取り付けられている。このフランジ５ｂは、第２回転軸７に一体に同心状に設けられている。これにより、コア５ａを含む第２ロータ５は、第２回転軸７と一体に回転自在になっている。なお、図３では、便宜上、連結部５ｃおよびフランジ５ｂを省略している。

また、図２に示すように、電動機１には、電磁誘導式の第１回転位置センサ２１および第２回転位置センサ２２が設けられている。この第１回転位置センサ２１は、ステータ３の特定のＵ相コイル３ｃ（以下「基準コイル」という）に対する第１ロータ４の特定の永久磁石４ａの回転角度位置（以下「第１ロータ回転角θＲ１」という）を表す検出信号を、ＥＣＵ１６に出力する。上記の第２回転位置センサ２２は、基準コイルに対する第２ロータ５の特定のコア５ａの回転角度位置（以下「第２ロータ回転角θＲ２」という）を表す検出信号を、ＥＣＵ１６に出力する。

さらに、電動機１には、第１電流センサ２３および第２電流センサ２４が設けられている。これらの第１および第２の電流センサ２３，２４はそれぞれ、Ｕ相およびＶ相のコイル３ｃ，３ｄをそれぞれ流れる電流（以下、それぞれ「Ｕ相電流Ｉｕ」「Ｖ相電流Ｉｖ」という）を表す検出信号をＥＣＵ１６に出力する。

ＥＣＵ１６は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されており、上述した各種のセンサ２１〜２４からの検出信号に応じて、電動機１の動作を制御する。

なお、本実施形態では、永久磁石４ａが本発明における磁極に相当するとともに、第１ロータ４および第１回転軸６が、本発明における第１構造体に相当する。また、鉄芯３ａおよびＵ相〜Ｗ相のコイル３ｃ〜３ｅが、本発明における電機子に相当するとともに、ステータ３が、本発明における第２構造体に相当する。さらに、コア５ａが本発明における軟磁性体に相当するとともに、第２ロータ５および第２回転軸７が、本発明における第３構造体に相当する。また、ＥＣＵ１６が、本発明における制御手段に相当するとともに、第１および第２の回転位置センサ２１，２２が、本発明における相対位置関係検出手段に相当する。

前述したように、電動機１では、電機子磁極が４個、永久磁石４ａの磁極（以下「磁石磁極」という）が８個、コア５ａが６個である。すなわち、電機子磁極の数と磁石磁極の数とコア５ａの数との比（以下「極数比」という）は、１：２．０：（１＋２．０）／２に設定されている。このことと、前述した式（１８）〜（２０）から明らかなように、ステータ３に対して第１ロータ４や第２ロータ５が回転するのに伴ってＵ相〜Ｗ相のコイル３ｃ〜３ｅにそれぞれ発生する逆起電圧（以下、それぞれ「Ｕ相逆起電圧Ｖｃｕ」「Ｖ相逆起電圧Ｖｃｖ」「Ｗ相逆起電圧Ｖｃｗ」という）は、次式（３３）、（３４）および（３５）で表される。

ここで、Ｉは、Ｕ相〜Ｗ相のコイル３ｃ〜３ｅを流れる電流の振幅（最大値）、ψＦは、磁石磁極の磁束の最大値である。θＥＲ１は、いわゆる機械角である第１ロータ回転角θＲ１を電気角度位置に換算した値（以下「第１ロータ電気角」という）であり、具体的には、第１ロータ回転角θＲ１に電機子磁極の極対数、すなわち値２を乗算した値である。θＥＲ２は、機械角である第２ロータ回転角θＲ２を電気角度位置に換算した値（以下「第２ロータ電気角」という）であり、具体的には、第２ロータ回転角θＲ２に電機子磁極の極対数（値２）を乗算した値である。また、ωＥＲ１は、θＥＲ１の時間微分値、すなわち、ステータ３に対する第１ロータ４の角速度を電気角速度に換算した値（以下「第１ロータ電気角速度」という）である。さらに、ωＥＲ２は、第２ロータ電気角速度であり、θＥＲ２の時間微分値、すなわち、ステータ３に対する第２ロータ５の角速度を電気角速度に換算した値（以下「第２ロータ電気角速度」という）である。

また、前述した極数比と前記式（２１）〜（２３）から明らかなように、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、およびＷ相のコイル３ｅを流れる電流（以下「Ｗ相電流Ｉｗ」という）は、次式（３６）、（３７）および（３８）でそれぞれ表される。

さらに、極数比と前記式（２４）および（２５）から明らかなように、基準コイルに対するステータ３の回転磁界のベクトルの電気角度位置（以下「磁界電気角度位置θＭＦＲ」という）は、次式（３９）で表され、ステータ３に対する回転磁界の電気角速度（以下「磁界電気角速度ωＭＦＲ」という）は、次式（４０）で表される。

このため、磁界電気角速度ωＭＦＲと第１ロータ電気角速度ωＥＲ１と第２ロータ電気角速度ωＥＲ２の関係を、いわゆる共線図で表すと、例えば図４のように示される。

また、ステータ３に供給された電力および磁界電気角速度ωＭＦＲと等価のトルクを駆動用等価トルクＴＳＥとすると、この駆動用等価トルクＴＳＥと、第１ロータ４に伝達されるトルク（以下「第１ロータ伝達トルク」という）ＴＲ１と、第２ロータ５に伝達されるトルク（以下「第２ロータ伝達トルク」という）ＴＲ２との関係は、極数比と前記式（３２）から明らかなように、次式（４１）で表される。

上記の式（４０）で表される電気角速度の関係、および上記の式（４１）で表されるトルクの関係は、サンギヤおよびリングギヤのギヤ比が１：２の遊星歯車装置のサンギヤ、リングギヤおよびキャリアにおける回転速度およびトルクの関係とまったく同じである。

ＥＣＵ１６は、上記式（３９）に基づき、Ｕ相〜Ｗ相のコイル３ｃ〜３ｅへの通電を制御し、それにより、回転磁界を制御する。具体的には、図２に示すように、ＥＣＵ１６は、目標電流算出部１６ａ、電気角変換器１６ｂ、電流座標変換器１６ｃ、偏差算出部１６ｄ、電流制御器１６ｅ、および電圧座標変換器１６ｆを有しており、いわゆるベクトル制御によりＵ相〜Ｗ相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを制御することによって、回転磁界を制御する。なお、本実施形態では、電気角変換器１６ｂが相対位置関係検出手段に相当する。

上記の目標電流算出部１６ａは、後述するｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑの目標値（以下、それぞれ「目標ｄ軸電流Ｉｄ＿ｔａｒ」「目標ｑ軸電流Ｉｑ＿ｔａｒ」という）を算出するとともに、算出した目標ｄ軸電流Ｉｄ＿ｔａｒおよび目標ｑ軸電流Ｉｑ＿ｔａｒを、偏差算出部１６ｄに出力する。なお、これらの目標ｄ軸電流Ｉｄ＿ｔａｒおよび目標ｑ軸電流Ｉｑ＿ｔａｒは、例えば電動機１の負荷などに応じて算出される。

電気角変換器１６ｂには、第１および第２の回転位置センサ２１，２２でそれぞれ検出された第１および第２のロータ回転角θＲ１，θＲ２が入力される。電気角変換器１６ｂは、入力された第１および第２のロータ回転角θＲ１，θＲ２に、電機子磁極の極対数（値２）を乗算することによって、前述した第１および第２のロータ電気角θＥＲ１，θＥＲ２を算出する。また、算出した第１および第２のロータ電気角θＥＲ１，θＥＲ２を、電流座標変換器１６ｃおよび電圧座標変換器１６ｆに出力する。

電流座標変換器１６ｃには、第１および第２のロータ電気角θＥＲ１，θＥＲ２に加え、第１および第２の電流センサ２３，２４でそれぞれ検出されたＵ相およびＶ相の電流Ｉｕ，Ｉｖが入力される。電流座標変換器１６ｃは、入力されたＵ相およびＶ相の電流Ｉｕ，Ｉｖと第１および第２のロータ電気角θｅ１，θｅ２に基づいて、そのときどきの３相交流座標上でのＵ相〜Ｗ相の電流Ｉｕ〜Ｉｗを、ｄｑ座標上でのｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換する。このｄｑ座標は、（３・θＥＲ２−２・θＥＲ１）をｄ軸とし、このｄ軸に直交する軸をｑ軸として、（３・ωＥＲ２−２・ωＥＲ１）で回転するものである。具体的には、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑは、次式（４２）によって算出される。

また、電流座標変換器１６ｃは、算出したｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを偏差算出部１６ｄに出力する。

偏差算出部１６ｄは、入力された目標ｄ軸電流Ｉｄ＿ｔａｒとｄ軸電流Ｉｄとの偏差（以下「ｄ軸電流偏差ｄＩｄ」という）を算出するとともに、入力された目標ｑ軸電流Ｉｑ＿ｔａｒとｑ軸電流Ｉｑとの偏差（以下「ｑ軸電流偏差ｄＩｑ」という）を算出する。また、算出したｄ軸電流偏差ｄＩｄおよびｑ軸電流偏差ｄＩｑを、電流制御器１６ｅに出力する。

電流制御器１６ｅは、入力されたｄ軸電流偏差ｄＩｄおよびｑ軸電流偏差ｄＩｑに基づき、所定のフィードバック制御アルゴリズム、例えばＰＩ制御アルゴリズムによって、ｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑを算出する。これにより、ｄ軸電圧Ｖｄは、ｄ軸電流Ｉｄが目標ｄ軸電流Ｉｄ＿ｔａｒになるように算出され、ｑ軸電圧Ｖｑは、ｑ軸電流Ｉｑが目標ｑ軸電流Ｉｑ＿ｔａｒになるように算出される。また、算出したｄ軸およびｑ軸の電圧Ｖｄ，Ｖｑを、電圧座標変換器１６ｆに出力する。

電圧座標変換器１６ｆは、入力されたｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑを、入力された第１および第２のロータ電気角θＥＲ１，θＥＲ２に基づいて、３相交流座標上でのＵ相〜Ｗ相の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの指令値（以下、それぞれ「Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＿ｃｍｄ」「Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＿ｃｍｄ」「Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＿ｃｍｄ」という）に変換する。具体的には、Ｕ相〜Ｗ相の電圧指令値Ｖｕ＿ｃｍｄ〜Ｖｗ＿ｃｍｄは、次式（４３）によって算出される。

また、電圧座標変換器１６ｆは、算出したＵ相〜Ｗ相の電圧指令値Ｖｕ＿ｃｍｄ〜Ｖｗ＿ｃｍｄを前述した可変電源１５に出力する。

これに伴い、可変電源１５は、Ｕ相〜Ｗ相の電圧Ｖｕ〜Ｖｗを、Ｕ相〜Ｗ相の電圧指令値Ｖｕ＿ｃｍｄ〜Ｖｗ＿ｃｍｄにそれぞれなるように電動機１に印可する。これにより、Ｕ相〜Ｗ相の電流Ｉｕ〜Ｉｗが制御され、この場合、これらの電流Ｉｕ〜Ｉｗは、前記式（３６）〜（３８）でそれぞれ表される。また、電流の振幅Ｉは、目標ｄ軸電流Ｉｄ＿ｔａｒおよび目標ｑ軸電流Ｉｑ＿ｔａｒに基づいて定まる。

以上のようなＥＣＵ１６による制御によって、磁界電気角度位置θＭＦＲは、前記式（３９）が成立するように制御され、磁界電気角速度ωＭＦＲは、前記式（４０）が成立するように制御される。

以上の構成の電動機１は、例えば次のようにして用いられる。すなわち、第１および第２のロータ４，５の一方を固定し、あるいは、これらの一方に動力を入力した状態で、ステータ３に供給した電力を動力に変換し、これらの他方から出力する。また、第１および第２のロータ４，５の双方から動力を同時に出力する場合には、式（４１）を満たすような負荷トルクが第１および第２のロータ４，５に同時に作用するようなもの、例えば二重反転プロペラの動力源として用いる。

次に、ステータ３に供給された電力が、具体的にどのようにして動力に変換され、第１ロータ４や第２ロータ５から出力されるかについて説明する。まず、図５〜図７を参照しながら、第１ロータ４を固定した状態でステータ３に電力を供給した場合について説明する。なお、図５〜図７では、便宜上、複数の構成要素の符号を省略している。このことは、後述する他の図面においても同様である。また、理解の容易化のために、図５〜図７に示される同じ１つの電機子磁極およびコア５ａに、ハッチングを付している。

まず、図５（ａ）に示すように、ある１つのコア５ａの中心と、ある１つの永久磁石４ａの中心が、周方向に互いに一致するとともに、そのコア５ａから３つ目のコア５ａの中心と、その永久磁石４ａから４つ目の永久磁石４ａの中心が、周方向に互いに一致した状態から、回転磁界を、同図の左方に回転するように発生させる。その発生の開始時においては、互いに同じ極性を有する１つおきの電機子磁極の位置を、中心がコア５ａと一致している各永久磁石４ａの中心と周方向に一致させるとともに、この電機子磁極の極性をこの永久磁石４ａの磁石磁極の極性と異ならせる。

前述したようにステータ３による回転磁界が第１ロータ４との間に発生することと、コア５ａを有する第２ロータ５がステータ３と第１ロータ４の間に配置されていることから、電機子磁極および磁石磁極により、各コア５ａは磁化される。このことと、隣り合う各コア５ａの間に間隔が空いていることから、電機子磁極とコア５ａと磁石磁極を結ぶような磁力線ＭＬが発生する。なお、図５〜図７では、便宜上、鉄芯３ａや固定部４ｂにおける磁力線ＭＬを省略している。このことは、後述する他の図面においても同様である。

図５（ａ）に示す状態では、磁力線ＭＬは、周方向の位置が互いに一致している電機子磁極、コア５ａおよび磁石磁極を結び、かつ、これらの電機子磁極、コア５ａおよび磁石磁極のそれぞれの周方向の各両側に隣り合う電機子磁極、コア５ａおよび磁石磁極を結ぶように発生する。また、この状態では、磁力線ＭＬが直線状であることにより、コア５ａには、周方向に回転させるような磁力は作用しない。

そして、回転磁界の回転に伴って電機子磁極が図５（ａ）に示す位置から図５（ｂ）に示す位置に回転すると、磁力線ＭＬが曲がった状態になり、それに伴い、磁力線ＭＬが直線状になるように、コア５ａに磁力が作用する。この場合、磁力線ＭＬで互いに結ばれた電機子磁極および磁石磁極を結ぶ直線に対して、磁力線ＭＬが、このコア５ａにおいて回転磁界の回転方向（以下「磁界回転方向」という）と逆方向に凸に曲がった状態になるため、上記の磁力は、コア５ａを磁界回転方向に駆動するように作用する。このような磁力線ＭＬによる磁力の作用により、コア５ａは、磁界回転方向に駆動され、図５（ｃ）に示す位置に回転し、コア５ａが設けられた第２ロータ５および第２回転軸７も、磁界回転方向に回転する。なお、図５（ｂ）および（ｃ）における破線は、磁力線ＭＬの磁束量が極めて小さく、電機子磁極とコア５ａと磁石磁極の間の磁気的なつながりが弱いことを表している。このことは、後述する他の図面においても同様である。

また、回転磁界がさらに回転するのに伴い、上述した一連の動作、すなわち、「磁力線ＭＬがコア５ａにおいて磁界回転方向と逆方向に凸に曲がる→磁力線ＭＬが直線状になるようにコア５ａに磁力が作用する→コア５ａや第２ロータ５、第２回転軸７が、磁界回転方向に回転する」という動作が、図６（ａ）〜図６（ｄ）、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、繰り返し行われる。以上のような磁力線ＭＬによる磁力の作用により、ステータ３に供給された電力が動力に変換され、第２回転軸７から出力される。

また、図８は、図５（ａ）の状態から電機子磁極が電気角２πだけ回転した状態を示しており、図８と図５（ａ）の比較から明らかなように、コア５ａは、電機子磁極に対して１／３の回転角度だけ、同方向に回転していることが分かる。この結果は、前記式（４０）において、ωＥＲ１＝０とすることによって、ωＥＲ２＝ωＭＦＲ／３が得られることと合致する。

次に、図９〜図１１を参照しながら、第２ロータ５を固定した状態で、ステータ３に電力を供給した場合の動作について説明する。なお、図９〜図１１では、理解の容易化のために、同じ１つの電機子磁極および永久磁石４ａに、ハッチングを付している。まず、図９（ａ）に示すように、前述した図５（ａ）の場合と同様、ある１つのコア５ａの中心と、ある１つの永久磁石４ａの中心が、周方向に互いに一致するとともに、そのコア５ａから３つ目のコア５ａの中心と、その永久磁石４ａから４つ目の永久磁石４ａの中心が、周方向に互いに一致した状態から、回転磁界を、同図の左方に回転するように発生させる。その発生の開始時においては、互いに同じ極性を有する１つおきの電機子磁極の位置を、中心がコア５ａと一致している各永久磁石４ａの中心と周方向に一致させるとともに、この電機子磁極の極性をこの永久磁石４ａの磁極の極性と異ならせる。

図９（ａ）に示す状態では、図５（ａ）の場合と同様、磁力線ＭＬは、周方向の位置が互いに一致している電機子磁極、コア５ａおよび磁石磁極を結び、かつ、これらの電機子磁極、コア５ａおよび磁石磁極のそれぞれの周方向の各両側に隣り合う電機子磁極、コア５ａおよび磁石磁極を結ぶように発生する。また、この状態では、磁力線ＭＬが直線状であることにより、永久磁石４ａには、周方向に回転させるような磁力は作用しない。

そして、回転磁界の回転に伴って電機子磁極が図９（ａ）に示す位置から図９（ｂ）に示す位置に回転すると、磁力線ＭＬが曲がった状態になり、それに伴い、磁力線ＭＬが直線状になるように、永久磁石４ａに磁力が作用する。この場合、この永久磁石４ａが、磁力線ＭＬで互いに結ばれた電機子磁極およびコア５ａの延長線上よりも磁界回転方向に進んだ位置にあるため、上記の磁力は、この延長線上に永久磁石４ａを位置させるように、すなわち、永久磁石４ａを磁界回転方向と逆方向に駆動するように作用する。このような磁力線ＭＬによる磁力の作用により、永久磁石４ａは、磁界回転方向と逆方向に駆動され、図９（ｃ）に示す位置に回転し、永久磁石４ａが設けられた第１ロータ４および第１回転軸６も、磁界回転方向と逆方向に回転する。

また、回転磁界がさらに回転するのに伴い、上述した一連の動作、すなわち、「磁力線ＭＬが曲がり、磁力線ＭＬで互いに結ばれた電機子磁極およびコア５ａの延長線上よりも、永久磁石４ａが磁界回転方向に進んだ位置に位置する→磁力線ＭＬが直線状になるように永久磁石４ａに磁力が作用する→永久磁石４ａや第１ロータ４、第１回転軸６が、磁界回転方向と逆方向に回転する」という動作が、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、繰り返し行われる。以上のような磁力線ＭＬによる磁力の作用により、ステータ３に供給された電力が動力に変換され、第１回転軸６から出力される。

また、図１１（ｂ）は、図９（ａ）の状態から電機子磁極が電気角２πだけ回転した状態を示しており、図１１（ｂ）と図９（ａ）の比較から明らかなように、永久磁石４ａは、電機子磁極に対して１／２の回転角度だけ、逆方向に回転していることが分かる。この結果は、前記式（４０）において、ωＥＲ２＝０とすることによって、−ωＥＲ１＝ωＭＦＲ／２が得られることと合致する。

また、図１２および図１３は、電機子磁極、コア５ａおよび永久磁石４ａの数を、値１６、値１８および値２０にそれぞれ設定し、第１ロータ４を固定するとともに、ステータ３への電力の供給により第２ロータ５から動力を出力した場合におけるシミュレーション結果を示している。図１２は、第２ロータ電気角θＥＲ２が値０〜２πまで変化する間におけるＵ相〜Ｗ相の逆起電圧Ｖｃｕ〜Ｖｃｗの推移の一例を示している。

この場合、第１ロータ４が固定されていることと、電機子磁極および磁石磁極の極対数がそれぞれ値８および値１０であることと、前記式（２５）から、磁界電気角速度ωＭＦＲ、第１および第２のロータ電気角速度ωＥＲ１，ωＥＲ２の関係は、ωＭＦＲ＝２．２５・ωＥＲ２で表される。図１２に示すように、第２ロータ電気角θＥＲ２が値０〜２πまで変化する間に、Ｕ相〜Ｗ相の逆起電圧Ｖｃｕ〜Ｖｃｗは、ほぼ２．２５周期分、発生している。また、図１２は、第２ロータ５から見たＵ相〜Ｗ相の逆起電圧Ｖｃｕ〜Ｖｃｗの変化状態を示しており、同図に示すように、これらの逆起電圧は、第２ロータ電気角θＥＲ２を横軸として、Ｗ相逆起電圧Ｖｃｗ、Ｖ相逆起電圧ＶｃｖおよびＵ相逆起電圧Ｖｃｕの順に並んでおり、このことは、第２ロータ５が磁界回転方向に回転していることを表す。以上のように、図１２に示すシミュレーション結果からも、ωＭＦＲ＝２．２５・ωＥＲ２が成立することが確認できた。

さらに、図１３は、駆動用等価トルクＴＳＥ、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の推移の一例を示している。この場合、電機子磁極および磁石磁極の極対数がそれぞれ値８および値１０であることと、前記式（３２）から、駆動用等価トルクＴＳＥ、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の関係は、ＴＳＥ＝ＴＲ１／１．２５＝−ＴＲ２／２．２５で表される。図１３に示すように、駆動用等価トルクＴＳＥは、ほぼ−ＴＲＥＦに、第１ロータ伝達トルクＴＲ１は、ほぼ１．２５・（−ＴＲＥＦ）に、第２ロータ伝達トルクＴＲ２は、ほぼ２．２５・ＴＲＥＦになっている。このＴＲＥＦは所定のトルク値（例えば２００Ｎｍ）である。このように、図１３に示すシミュレーション結果からも、ＴＳＥ＝ＴＲ１／１．２５＝−ＴＲ２／２．２５が成立することが確認できた。

また、図１４および図１５は、電機子磁極、コア５ａおよび永久磁石４ａの数を図１２および図１３の場合と同様に設定し、第１ロータ４に代えて第２ロータ５を固定するとともに、ステータ３への電力の供給により第１ロータ４から動力を出力した場合におけるシミュレーション結果を示している。図１４は、第１ロータ電気角θＥＲ１が値０〜２πまで変化する間におけるＵ相〜Ｗ相の逆起電圧Ｖｃｕ〜Ｖｃｗの推移の一例を示している。

この場合、第２ロータ５が固定されていることと、電機子磁極および磁石磁極の極対数がそれぞれ値８および値１０であることと、前記式（２５）から、磁界電気角速度ωＭＦＲ、第１および第２のロータ電気角速度ωＥＲ１，ωＥＲ２の関係は、ωＭＦＲ＝−１．２５・ωＥＲ１で表される。図１４に示すように、第１ロータ電気角θＥＲ１が値０〜２πまで変化する間に、Ｕ相〜Ｗ相の逆起電圧Ｖｃｕ〜Ｖｃｗは、ほぼ１．２５周期分、発生している。また、図１４は、第１ロータ４から見たＵ相〜Ｗ相の逆起電圧Ｖｃｕ〜Ｖｃｗの変化状態を示しており、同図に示すように、これらの逆起電圧は、第１ロータ電気角θＥＲ１を横軸として、Ｕ相逆起電圧Ｖｃｕ、Ｖ相逆起電圧ＶｃｖおよびＷ相逆起電圧Ｖｃｗの順に並んでおり、このことは、第１ロータ４が磁界回転方向と逆方向に回転していることを表す。以上のように、図１４に示すシミュレーション結果からも、ωＭＦＲ＝−１．２５・ωＥＲ１が成立することが確認できた。

さらに、図１５は、駆動用等価トルクＴＳＥ、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の推移の一例を示している。この場合にも、図１３の場合と同様、式（３２）から、駆動用等価トルクＴＳＥ、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の関係は、ＴＳＥ＝ＴＲ１／１．２５＝−ＴＲ２／２．２５で表される。図１５に示すように、駆動用等価トルクＴＳＥは、ほぼＴＲＥＦに、第１ロータ伝達トルクＴＲ１は、ほぼ１．２５・ＴＲＥＦに、第２ロータ伝達トルクＴＲ２は、ほぼ−２．２５・ＴＲＥＦになっている。このように、図１５に示すシミュレーション結果からも、ＴＳＥ＝ＴＲ１／１．２５＝−ＴＲ２／２．２５が成立することが確認できた。

以上のように、本実施形態によれば、コア５ａで構成された単一の軟磁性体列だけで電動機１を作動させることができるので、電動機１の小型化および製造コストの削減を図ることができる。また、電機子磁極の極対数に対する磁石磁極の極対数の比を設定することによって、磁界電気角速度ωＭＦＲ、第１および第２のロータ電気角速度ωＥＲ１，ωＥＲ２の関係と、駆動用等価トルクＴＳＥ、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の関係を自由に設定でき、したがって、電動機１の設計の自由度を高めることができる。

さらに、磁界電気角度位置θＭＦＲを前記式（４０）が成立するように制御するので、電動機１の適正な動作を確保することができる。また、永久磁石４ａの磁極を用いるので、電磁石の磁極を用いた場合と異なり、電磁石に電力を供給するための電気回路やコイルが不要になる。これにより、電動機１をさらに小型化できるとともに、構成を単純化することができる。また、磁極として電磁石の磁極を用いたときの電力供給用のスリップリングが不要になり、その分、電動機１を小型化できるとともに、効率を高めることができる。

なお、上述した第１実施形態では、第１および第２のロータ４，５を回転自在に構成しているが、両者４，５の一方を回転不能に構成するとともに、他方のみを回転自在に構成し、他方から動力を出力してもよい。この場合、第１および第２のロータ４，５の一方が回転不能に構成されているため、前記式（３９）において、両者４，５の一方の電気角度位置が値０になることから明らかなように、両者４，５の他方の電気角度位置のみをセンサなどで検出するとともに、検出された他方の電気角度位置に応じて、回転磁界を制御すればよい。また、ステータ３を回転自在に構成してもよく、その場合には、電動機は例えば次のように用いられる。すなわち、第１および第２のロータ４，５の一方と、ステータ３に動力を入力した状態で、ステータ３に電力を供給し、この電力を動力に変換して、両ロータ４，５の他方から出力する。あるいは、第１および第２のロータ４，５の一方を固定した状態（または、この一方に動力を入力した状態）で、ステータ３および他方から動力を同時に出力する場合には、式（４１）を満たすような負荷トルクがステータ３および他方に同時に作用するようなもの、例えば二重反転プロペラの動力源として用いる。

さらに、第１実施形態では、第１および第２のロータ回転角θＲ１，θＲ２として、基準コイルすなわち特定のＵ相コイル３ｃに対する特定の永久磁石４ａおよびコア５ａの回転角度位置をそれぞれ検出しているが、ステータ３に対する第１および第２のロータ４，５の回転角度位置を表すのであれば、他の部位の回転角度位置を検出してもよい。例えば、特定のＶ相コイル３ｄや、特定のＷ相コイル３ｅ、ケース２の特定の部位に対する、固定部４ｂや第１回転軸６の特定の部位の回転角度位置を第１ロータ回転角θＲ１として、フランジ５ｂや第２回転軸７の特定の部位の回転角度位置を第２ロータ回転角θＲ２として、それぞれ検出してもよい。

また、第１実施形態では、回転磁界の制御に用いる磁界電気角度位置θＭＦＲを、第１および第２の回転位置センサ２１，２２で検出された第１および第２のロータ回転角θＲ１，θＲ２を用い、式（３９）によって算出しているが、特願２００７−２８０９１６号に記載された手法によって求めてもよい。具体的には、サンギヤとリングギヤの歯数の比が電機子磁極および磁石磁極の一方の数に対する他方の数の比と同じ値である遊星歯車装置と、単一の回転位置センサを用意し、サンギヤおよびリングギヤの一方を第１ロータ４に、キャリアを第２ロータ５に、それぞれ連結するとともに、特定のＵ相コイル３ｃに対するサンギヤおよびリングギヤの他方の回転角度位置を、回転位置センサで検出する。この場合、電機子磁極の数が磁石磁極の数よりも大きい場合、第１ロータ４には、サンギヤが連結される。

以上により、上記の回転位置センサで検出される回転角度位置は、電機子磁極の数に対する磁石磁極の数の比をγとすると、（１＋γ）θＲ２−γ・θＲ１を表す。このことから明らかなように、第１および第２のロータ４，５の回転角度位置を２つのセンサで別個に検出することなく、遊星歯車装置と単一の回転位置センサによって、回転磁界の制御に用いる磁界電気角度位置θＭＦＲを求めることができる。

さらに、第１実施形態では、ステータ３および第１ロータ４を、径方向の外側および内側にそれぞれ配置しているが、これとは逆に、径方向の内側および外側にそれぞれ配置してもよい。また、ステータ３、第１および第２のロータ４，５を径方向に並ぶように配置し、いわゆるラジアルタイプとして電動機１を構成しているが、ステータ３、第１および第２のロータ４，５を軸線方向に並ぶように配置し、いわゆるアキシャルタイプとして電動機１を構成してもよい。

次に、図１６および図１７を参照しながら、本発明の第２実施形態による電動機３１について説明する。同図に示す電動機３１は、第１実施形態と異なり、リニアモータとして構成されており、搬送装置に適用されたものである。なお、図１６において、第１実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いて示している。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図１６および図１７に示すように、電動機３１は、不動のケース３２と、ケース３２内に設けられた第１ステータ３３と、ケース３２内に第１ステータ３３に対向するように設けられた第２ステータ３４と、両ステータ３３，３４の間に設けられた可動子３５を備えている。

ケース３２は、前後方向（図１６の奥行き方向、図１７の上下方向）を長さ方向とする板状の底壁３２ａと、この底壁３２ａの両端部からそれぞれ上方に延び、互いに対向する側壁３２ｂおよび３２ｃとを一体に有している。

第１ステータ３３は、移動磁界を発生させるものであり、図１７に示すように、鉄芯３３ａと、この鉄芯３３ａに設けられたＵ相、Ｖ相およびＷ相のコイル３３ｃ，３３ｄ，３３ｅを有している。鉄芯３３ａは、複数の鋼板を積層した直方体状のものであり、前後方向に、ケース３２の全体に延びており、ケース３２の側壁３２ｂに取り付けられている。また、鉄芯３３ａの第２ステータ３４側の面には、多数のスロット３３ｂが形成されており、これらのスロット３３ｂは、上下方向に延びるとともに、前後方向に等間隔に並んでいる。上記のＵ相〜Ｗ相のコイル３３ｃ〜３３ｅは、スロット３３ｂに分布巻き（波巻き）で巻回されるとともに、前述した可変電源１５に接続されている。

以上の構成の第１ステータ３３では、可変電源１５から電力が供給されたときに、鉄芯３３ａの第２ステータ３４側の端部に、多数の磁極が前後方向に等間隔で発生する（図１８参照）とともに、これらの磁極による移動磁界が前後方向に移動する。以下、鉄芯３３ａに発生する磁極を、第１実施形態と同様、「電機子磁極」という。なお、図１８では、電機子磁極を、図５と同様、鉄芯３３ａやＵ相〜Ｗ相のコイル３３ｃ〜３３ｅの上に、（Ｎ）および（Ｓ）で表記している。この場合、同図に示すように、前後方向に沿う所定の区間ＩＮＴにおける電機子磁極の数は、値４である。

第２ステータ３４は、多数の永久磁石３４ａから成る磁極列を有している。これらの永久磁石３４ａは、前後方向に等間隔で並んでおり、この磁極列は、第１ステータ３３の鉄芯３３ａに対向している。各永久磁石３４ａは、直方体状に形成されており、その上下方向の長さが、鉄芯３３ａのそれと同じに設定されている。また、永久磁石３４ａは、底壁３２ａの上面の右端部に（図１６の右側を「右」）、固定部３４ｂを介して取り付けられるとともに、側壁３２ｃに取り付けられている。この固定部３４ｂは、軟磁性体、例えば鉄で構成されている。このように鉄で構成された固定部３４ｂに永久磁石３４ａが取り付けられているので、各永久磁石３４ａには、第１ステータ３３側の端部に、（Ｎ）または（Ｓ）の１つの磁極が現れる。なお、図１７および図１８では、図３と同様、永久磁石３４ａの磁極（以下、第１実施形態と同様「磁石磁極」という）を、（Ｎ）および（Ｓ）で表記している。また、図１８に示すように、前後方向に隣り合う各２つの永久磁石３４ａの極性は、互いに異なっており、所定の区間ＩＮＴにおける永久磁石３４ａの数は、値８である。

可動子３５は、第１および第２のステータ３３，３４の上方に設けられた天板３５ａと、この天板３５ａに設けられた６個のコア３５ｂから成る軟磁性体列を有している。天板３５ａの前後方向および左右方向の大きさは、ケース３２よりも小さくなっており、第１および第２のステータ３３，３４の一部を覆っている。

各コア３５ｂは、軟磁性体、例えば複数の鋼板を積層した直方体状のものであり、その上下方向の長さが、鉄芯３３ａのそれと同じに設定されている。また、６個のコア３５ｂは、それぞれの上端部に設けられた連結部３５ｃを介して、天板３５ａで連結されており、前後方向に等間隔で並んでいる。さらに、コア３５ｂから成る軟磁性体列は、第１ステータ３３の鉄芯３３ａと第２ステータ３４の磁極列との間に、それぞれ所定の間隔を隔てて配置されている。また、各コア３５ｂの底部には、車輪３５ｄが設けられている。コア３５ｂは、この車輪３５ｄを介して底壁３２ａの上面のレール（図示せず）に載置されており、それにより、コア３５ｂを含む可動子３５は、前後方向に移動自在であるとともに、左右方向に移動不能になっている。なお、図１７および図１８では、便宜上、連結部３５ｃを省略している。

なお、本実施形態では、第２ステータ３４が、本発明における第１構造体に相当するとともに、永久磁石３４ａが本発明における磁極に相当する。また、第１ステータ３３が本発明における第２構造体に相当するとともに、鉄芯３３ａおよびＵ相〜Ｗ相のコイル３３ｃ〜３３ｅが、本発明における電機子に相当する。さらに、可動子３５が本発明における第３構造体に相当するとともに、コア３５ｂが本発明における軟磁性体に相当する。

また、電動機３１には、光学式の位置センサ４１（相対位置関係検出手段）が設けられており、この位置センサ４１は、第１ステータ３３の特定のＵ相コイル３３ｃに対する可動子３５の特定のコア３５ｂの位置（以下「可動子位置」という）を表す検出信号を、ＥＣＵ１６に出力する。ＥＣＵ１６は、検出された可動子位置に応じ、可動子３５と第１および第２のステータ３３，３４との相対的な位置関係を求めるとともに、この位置関係に基づいて、Ｕ相〜Ｗ相のコイル３３ｃ〜３３ｅへの通電を制御し、それにより、移動磁界を制御する。この制御は、より具体的には、以下のようにして行われる。

図１８に示すように、所定の区間ＩＮＴでは、第１実施形態と同様、電機子磁極が４個、磁石磁極が８個、コア３５ｂが６個である。すなわち、電機子磁極の数と磁石磁極の数とコア３５ｂの数との比は、１：２：（１＋２）／２に設定されている。本実施形態では、永久磁石３４ａが移動不能に構成されていることと、前記式（３９）から、移動磁界のベクトルの電気角度位置（以下「磁界電気角度位置θＭＦＭ」という）は、θＭＦＭ＝３・θＥＭが成立するするように制御される。このθＥＭは、可動子位置を電気角度位置に換算した値（以下「可動子電気角度位置」という）であり、具体的には、検出された可動子位置に電機子磁極の極対数、すなわち値２を乗算した値である。なお、この制御は、第１実施形態と同様、ベクトル制御によりＵ相〜Ｗ相のコイル３３ｃ〜３３ｅに流れる電流を制御することによって行われる。

以上により、移動磁界の電気角速度（以下「磁界電気角速度ωＭＦＭ」という）は、ωＭＦＭ＝３・ωＥＭが成立するするように制御される。このωＥＭは、可動子電気角度位置θＥＭの時間微分値であり、可動子３５の移動速度を電気角速度に換算した値（以下「可動子電気角速度」という）である。また、第１ステータ３３に供給された電力および磁界電気角速度ωＭＦＭと等価の推力を、駆動用等価推力ＦＳＥとすると、この駆動用等価推力ＦＳＥと、可動子３５に伝達される推力（以下「可動子伝達推力」という）ＦＭの関係は、前記式（４１）から、ＦＳＥ＝−ＦＭ／３で表される。

以上のように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様、６個のコア３５ｂから成る単一の軟磁性体列だけで電動機３１を作動させることができるので、電動機３１の小型化および製造コストの削減を図ることができる。また、所定の区間ＩＮＴにおける電機子磁極の極対数に対する磁石磁極の極対数の比を設定することによって、磁界電気角速度ωＭＦＭおよび可動子電気角速度ωＥＭの関係と、駆動用等価推力ＦＳＥおよび可動子伝達推力ＦＭの関係を自由に設定でき、したがって、電動機３１の設計の自由度を高めることができる。

さらに、磁界電気角度位置θＭＦＭを、θＭＦＭ＝３・θＥＭが成立するように制御するので、電動機３１の適正な動作を確保することができる。また、第１実施形態と同様、永久磁石３４ａの磁極を用いるので、電動機３１のさらなる小型化や構成の単純化を図ることができる。

なお、電動機３１を次のようにして構成してもよい。すなわち、第２ステータ３４の複数の永久磁石３４ａを天板３５ａとは別の天板で連結することで第２可動子を構成するとともに、この第２可動子を、ケース３２に対して前後方向に移動自在に設ける。そして、第１実施形態と同様に、可動子３５および第２可動子の少なくとも一方から動力を出力するようにしてもよい。それに加え、第１ステータ３３の鉄芯３３ａを天板に取り付けることで第３可動子を構成するとともに、この第３可動子を、ケース３２に対して前後方向に移動自在に構成してもよい。そして、第１実施形態で述べたように、可動子３５や、第２可動子、第３可動子から動力を出力するようにしてもよい。

上記のように第２可動子を設ける場合には、可動子３５の可動子位置に加え、特定のＵ相コイル３３ｃに対する第２可動子の特定の永久磁石３４ａの位置をセンサなどで検出するとともに、可動子位置と検出された第２可動子の位置に応じ、式（３９）に基づいて、磁界電気角度位置θＭＦＭが算出される。そして、算出した磁界電気角度位置θＭＦＭが回動磁界の制御に用いられる。

また、第２実施形態では、可動子位置として、特定のＵ相コイル３３ｃに対する特定のコア３５ａの位置を検出しているが、第１ステータ３３に対する可動子３５の位置を表すのであれば、他の部位の位置を検出してもよい。例えば、特定のＶ相コイル３３ｄや、特定のＷ相コイル３３ｅ、ケース３２の特定の部位に対する、天板３５ａなどの特定の部位の位置を可動子位置として検出してもよい。このことは、上述したように第２可動子や、第３可動子を設けた場合にも同様に当てはまる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、１つの磁極を、単一の永久磁石４ａ，３４ａの磁極で構成しているが、複数の永久磁石の磁極で構成してもよい。例えば、２つの永久磁石の磁極がステータ３（第１ステータ３３）側で近づき合うように、これらの２つの永久磁石を逆Ｖ字状に並べることにより、１つの磁極を構成することによって、磁力線ＭＬの指向性を高めることができる。また、実施形態における永久磁石４ａ，３４ａに代えて、電磁石や移動磁界を発生可能な電機子を用いてもよい。さらに、実施形態では、Ｕ相〜Ｗ相のコイル３ｃ〜３ｅ、３３ｃ〜３３ｅをスロット３ｂ、３３ｂに分布巻きで巻回しているが、これに限らず、集中巻きでもよい。また、実施形態では、コイル３ｃ〜３ｅ、３３ｃ〜３３ｅを、Ｕ相〜Ｗ相の３相コイルで構成しているが、移動磁界（回転磁界）を発生できれば、このコイルの相数はこれに限らず、任意である。

さらに、スロット３ｂ、３３ｂの数として、実施形態で示した以外の任意の数を採用してもよいことはもちろんである。また、実施形態では、スロット３ｂ、３３ｂや、永久磁石４ａ、３４ａ、コア５ｂ、３５ｂを等間隔に配置しているが、不等間隔に配置してもよい。さらに、実施形態では、電機子磁極が４個、磁石磁極が８個、コア５ａ、３５ｂが６個であるが、これらの数の比が１：ｍ：（１＋ｍ）／２（ｍ≠１．０）を満たすものであれば、電機子磁極、磁石磁極およびコア５ａ、３５ｂの数として、任意の数を採用可能である。また、実施形態では、第１回転位置センサ２１や、第２回転位置センサ２２、位置センサ４１は、電磁誘導式のものであるが、光学式のものでもよい。さらに、実施形態では、本発明における制御手段として、ＥＣＵ１６を用いているが、マイクロコンピュータと電気回路を組み合わせたものを用いてもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の第１実施形態による電動機を概略的に示す断面図である。 図１の電動機やＥＣＵを示すブロック図である。 図１の電動機のステータ、第１および第２のロータを周方向に展開し、概略的に示す図である。 図１の電動機における磁界電気角速度、第１および第２のロータ電気角速度の関係の一例を示す共線図である。 図１の電動機の第１ロータを固定した状態で、ステータに電力を供給した場合における動作を説明するための図である。 図５の続きの動作を説明するための図である。 図６の続きの動作を説明するための図である。 図５に示す状態から、電機子磁極が電気角２πだけ回転したときにおける電機子磁極やコアの位置関係を説明するための図である。 図１の電動機の第２ロータを固定した状態で、ステータに電力を供給した場合における動作を説明するための図である。 図９の続きの動作を説明するための図である。 図１０の続きの動作を説明するための図である。 本発明の電動機の第１ロータを固定した場合におけるＵ相〜Ｗ相の逆起電圧の推移の一例を示す図である。 本発明の電動機の第１ロータを固定した場合における駆動用等価トルク、第１および第２のロータ伝達トルクの推移の一例を示す図である。 本発明の電動機の第２ロータを固定した場合におけるＵ相〜Ｗ相の逆起電圧の推移の一例を示す図である。 本発明の電動機の第２ロータを固定した場合における駆動用等価トルク、第１および第２のロータ伝達トルクの推移の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態による電動機などを概略的に示す正面図である。 図１６の電動機の一部を概略的に示す平面図である。 図１６の電動機における電機子磁極、コアおよび磁石磁極の数の関係を説明するための図である。 本発明の電動機の等価回路を示す図である。

符号の説明

１ 電動機
３ ステータ（第２構造体）
３ａ 鉄芯（電機子）
３ｃ Ｕ相コイル（電機子）
３ｄ Ｖ相コイル（電機子）
３ｅ Ｗ相コイル（電機子）
４ 第１ロータ（第１構造体）
４ａ 永久磁石（磁極）
５ 第２ロータ（第３構造体）
５ａ コア（軟磁性体）
６ 第１回転軸（第１構造体）
７ 第２回転軸（第３構造体）
１６ ＥＣＵ（制御手段）
１６ｂ 電気角変換器（相対位置関係検出手段）
２１ 第１回転位置センサ（相対位置関係検出手段）
２２ 第２回転位置センサ（相対位置関係検出手段）
３１ 電動機
３３ 第１ステータ（第２構造体）
３３ａ 鉄芯（電機子）
３３ｃ Ｕ相コイル（電機子）
３３ｄ Ｖ相コイル（電機子）
３３ｅ Ｗ相コイル（電機子）
３４ 第２ステータ（第１構造体）
３４ａ 永久磁石（磁極）
３５ 可動子（第３構造体）
３５ｂ コア（軟磁性体）
４１ 位置センサ（相対位置関係検出手段）
θＥＲ１ 第１ロータ電気角（第１構造体の電気角度位置）
θＥＲ２ 第２ロータ電気角（第３構造体の電気角度位置）

Claims (6)

1. 所定方向に並んだ所定の複数の磁極で構成され、隣り合う各２つの前記磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する第１構造体と、
   前記所定方向に並んだ複数の電機子で構成されるとともに、前記磁極列に対向するように配置され、電力の供給に伴って前記複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる電機子列を有する第２構造体と、
   互いに間隔を隔てて前記所定方向に並んだ所定の複数の軟磁性体で構成され、前記磁極列と前記電機子列の間に位置するように配置された軟磁性体列を有する第３構造体と、を備え、
   前記所定方向に沿う所定の区間における前記電機子磁極の数と前記磁極の数と前記軟磁性体の数との比が、１：ｍ：（１＋ｍ）／２（ｍ≠１．０）に設定されていることを特徴とする電動機。
2. 前記第１〜第３の構造体の相対的な位置関係を検出する相対位置関係検出手段と、
   当該検出された第１〜第３の構造体の相対的な位置関係に基づいて、前記移動磁界を制御する制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の電動機。
3. 前記相対位置関係検出手段は、前記第１〜第３の構造体の相対的な位置関係として、前記第２構造体に対する前記第１構造体および第３構造体の電気角度位置をそれぞれ検出し、
   前記制御手段は、前記検出された第３構造体の電気角度位置に（１＋ｍ）を乗算した値と、前記検出された第１構造体の電気角度位置にｍを乗算した値との差に基づいて、前記移動磁界を制御することを特徴とする、請求項２に記載の電動機。
4. 前記磁極は永久磁石の磁極であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の電動機。
5. 前記電動機は回転機であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機。
6. 前記電動機はリニアモータであることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機。

Images