JP6072606B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、第１回転子と第２回転子間、及び固定子と第２回転子間にトルクを作用させることが可能な回転電機に関する。

この種の回転電機を備える車両用駆動装置の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１による車両用駆動装置は、巻線が配設されエンジンに機械的に連結された第１ロータと、第１ロータの巻線と電磁気的に結合する永久磁石が配設され駆動軸に機械的に連結された第２ロータと、第２ロータの永久磁石と電磁気的に結合する巻線が配設されたステータと、第１ロータの巻線と電気的に接続されたスリップリングと、スリップリングと電気的に接触するブラシと、バッテリーとステータの巻線との間で電力を授受可能に制御する第１インバータと、スリップリング及びブラシを介してバッテリーと第１ロータの巻線との間で電力を授受可能に制御する第２インバータと、を備える。特許文献１においては、第１ロータに伝達されたエンジンからの動力は、第１ロータの巻線と第２ロータの永久磁石との電磁気結合により第２ロータに伝達されるため、エンジンの動力により駆動軸を駆動することができる。さらに、ステータの巻線と第２ロータの永久磁石との電磁気結合により、第１インバータを介してステータの巻線に供給された電力を用いて第２ロータに動力を発生させることによっても、駆動軸を駆動することができる。

特開平９−５６１２６号公報 特開２０００−５０５８５号公報 特開２００９−７３４７２号公報 特開２０１１−２０５７４１号公報

特許文献１では、第２ロータの永久磁石として、第１ロータに界磁磁束を作用させる第１永久磁石を第１ロータと対向させて配設するとともに、ステータに界磁磁束を作用させる第２永久磁石をステータと対向させて配設している。その場合に、第１ロータと第２ロータ間に作用する最大トルクを増加させるためには、第１永久磁石の量を増加させる必要があり、ステータと第２ロータ間に作用する最大トルクを増加させるためには、第２永久磁石の量を増加させる必要がある。ただし、第１永久磁石や第２永久磁石の量を増加させると、第２ロータの大型化により回転電機の大型化を招くことになる。

本発明は、第１回転子と第２回転子間、及び固定子と第２回転子間にトルクを作用させることが可能な回転電機において、第２回転子の磁石量の増加を招くことなく、第１回転子と第２回転子間の最大トルク、及び固定子と第２回転子間の最大トルクの少なくとも一方を増加させることを目的とする。

本発明に係る回転電機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機は、回転子巻線が配設された第１回転子と、固定子巻線が配設された固定子と、第１回転子及び固定子と対向し、第１回転子に対し相対回転可能な第２回転子と、を備え、第２回転子は、回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をおいて回転子鉄心に配設された複数の第１磁石であって、その各々が第１回転子と対向する複数の第１磁石と、周方向に互いに間隔をおいて回転子鉄心に配設された複数の第２磁石であって、その各々が固定子と対向する複数の第２磁石と、を含み、第１磁石の周方向の中央部及び第２回転子中心軸を通る径方向に沿った直線と、第２磁石の周方向の中央部及び第２回転子中心軸を通る径方向に沿った直線が互いにずれるように、第１磁石と第２磁石が配置され、第１磁石における残留磁束密度と磁極面の幅との積、及び第２磁石における残留磁束密度と磁極面の幅との積の少なくとも一方が、回転子鉄心の飽和磁束密度と第１磁石と第２磁石の距離との積よりも大きいことを要旨とする。

本発明の一態様では、第１磁石は、周方向において第１磁石中央部が第１磁石両端部よりも第１回転子から離れた形状を呈し、第２磁石は、周方向において第２磁石中央部が第２磁石両端部よりも固定子から離れた形状を呈することが好適である。

本発明の一態様では、第１磁石と第２磁石間の中間位置を通る中間面が、第１磁石における第１回転子から最も離れた第１磁石中央部よりも第１回転子との距離が近い部分と、第２磁石における固定子から最も離れた第２磁石中央部よりも固定子との距離が近い部分とを有することが好適である。

本発明の一態様では、第２磁石における固定子から最も離れた第２磁石中央部が、第１磁石における第１回転子から最も離れた第１磁石中央部よりも第１回転子との距離が近い位置に配置されていることが好適である。

本発明の一態様では、第１回転子にエンジンからの動力が伝達され、第２回転子から駆動軸へ動力が伝達されることが好適である。

本発明によれば、第１磁石の周方向の中央部及び第２回転子中心軸を通る径方向に沿った直線と、第２磁石の周方向の中央部及び第２回転子中心軸を通る径方向に沿った直線が互いにずれるように、第２回転子の第１磁石と第２磁石が配置され、第１磁石における残留磁束密度と磁極面の幅との積、及び第２磁石における残留磁束密度と磁極面の幅との積の少なくとも一方が、回転子鉄心の飽和磁束密度と第１磁石と第２磁石の距離との積よりも大きいことで、第２回転子の磁石量の増加を招くことなく、第１回転子と第２回転子間の最大トルク、及び固定子と第２回転子間の最大トルクの少なくとも一方を増加させることができる。

本発明の実施形態に係る回転電機を備えるハイブリッド駆動装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 ステータ１６と出力側ロータ１８間にトルクを作用させる際の永久磁石３２，３３による磁束の流れを説明する図である。 入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間にトルクを作用させる際の永久磁石３２，３３による磁束の流れを説明する図である。 出力側ロータ１８の回転角に対するステータ巻線２０への鎖交磁束の関係の一例を示す図である。 ＩＰＭモータのトルク特性の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機のトルク特性の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機のトルク特性の一例を示す図である。 ＩＰＭモータにおいて、ロータコアの径方向厚さを薄くしていった場合のトルク特性の一例を示す図である。 永久磁石３２と永久磁石３３とでロータ周方向の位相が一致している場合の構成例を示す図である。 永久磁石３２の磁極面に沿ってＶ字に空気層５５を形成した場合の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機において、ロータコアの径方向厚さを薄くしていった場合のトルク特性の一例を示す図である。 出力側ロータ１８の好適な構成例を示す図である。 出力側ロータ１８の好適な構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜４は、本発明の実施形態に係る回転電機を備えるハイブリッド駆動システムの構成の概略を示す図であり、図１は全体構成の概略を示し、図２〜４は回転電機１０の構成の概略を示す。本実施形態に係るハイブリッド駆動システムは、動力（機械的動力）を発生可能な原動機として設けられたエンジン（内燃機関）３６と、エンジン３６と駆動軸３７（車輪３８）との間に設けられ、変速比の変更が可能な変速機（機械式変速機）４４と、エンジン３６と変速機４４との間に設けられ、動力（機械的動力）の発生及び発電が可能な回転電機１０と、を備える。なお、本実施形態に係るハイブリッド駆動システムについては、例えば車両を駆動するための動力出力システムとして用いることができる。

回転電機１０は、図示しないステータケースに固定されたステータ１６と、ステータ１６に対し相対回転可能な第１ロータ２８と、ロータ回転軸と直交する径方向においてステータ１６及び第１ロータ２８と所定の空隙を空けて対向し、ステータ１６及び第１ロータ２８に対し相対回転可能な第２ロータ１８と、を有する。図１〜４に示す例では、ステータ１６は、第１ロータ２８より径方向外側の位置に第１ロータ２８と間隔を空けて配置されており、第２ロータ１８は、径方向においてステータ１６と第１ロータ２８との間の位置に配置されている。つまり、第１ロータ２８は第２ロータ１８より径方向内側の位置で第２ロータ１８と対向配置されており、ステータ１６は第２ロータ１８より径方向外側の位置で第２ロータ１８と対向配置されている。第１ロータ２８はエンジン３６と機械的に連結されていることで、第１ロータ２８にはエンジン３６からの動力が伝達される。一方、第２ロータ１８は変速機４４を介して駆動軸３７に機械的に連結されていることで、駆動軸３７（車輪３８）には第２ロータ１８からの動力が変速機４４で変速されてから伝達される。なお、以下の説明では、第１ロータ２８を入力側ロータとし、第２ロータ１８を出力側ロータとする。また、図３，４では、周方向に関して入力側ロータ２８、出力側ロータ１８、及びステータ１６の構成の一部を図示しているが、図示を省略している残りの部分の構成は、図示している部分と同様の構成である。

ステータ１６は、ステータコア（固定子鉄心）５１と、ステータコア５１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）のステータ巻線（固定子巻線）２０と、を含む。ステータコア５１には、径方向内側へ（出力側ロータ１８へ向けて）突出した複数のティース５１ａがステータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各ステータ巻線２０がこれらのティース５１ａに巻回されていることで、磁極が構成される。複数相のステータ巻線２０に複数相（例えば３相）の交流電流が流れることで、ステータ巻線２０は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。図３に示す例では、３相のステータ巻線２０が巻装された６つのティース５１ａあたり、１つの磁極が構成される。

入力側ロータ２８は、ロータコア（回転子鉄心）５２と、ロータコア５２にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）のロータ巻線（回転子巻線）３０と、を含む。ロータコア５２には、径方向外側へ（出力側ロータ１８へ向けて）突出した複数のティース５２ａがロータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各ロータ巻線３０がこれらのティース５２ａに巻回されていることで、磁極が構成される。複数相のロータ巻線３０に複数相（例えば３相）の交流電流が流れることで、ロータ巻線３０は、ロータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。図３に示す例では、３相のロータ巻線３０が巻装された３つのティース５２ａあたり、１つの磁極が構成され、ロータ周方向に３個離れたティース５２ａ同士の成す角度が、ロータ周方向に６個離れたティース５１ａ同士の成す角度に等しい。

出力側ロータ１８は、ロータコア（回転子鉄心）５３と、ロータコア５３にその周方向に沿って配設され界磁磁束を発生する永久磁石３２，３３と、を含む。複数の永久磁石３２は、ロータ周方向に互いに間隔をおいて（等間隔で）ロータコア５３の外周側に配置され、その各々がステータ１６（ティース５１ａ）と径方向に対向する。複数（永久磁石３２と同数）の永久磁石３３は、ロータ周方向に互いに間隔をおいて（等間隔で）ロータコア５３の内周側に配置され、その各々が入力側ロータ２８（ティース５２ａ）と径方向に対向する。ロータ周方向に隣接する永久磁石３２同士で、ステータ１６（ティース５１ａ）と対向する磁極面（ステータ側磁極面とする）３２ａが互いに逆の極性である。同様に、ロータ周方向に隣接する永久磁石３３同士でも、入力側ロータ２８（ティース５２ａ）と対向する磁極面（ロータ側磁極面とする）３３ａが互いに逆の極性である。各永久磁石３３は、ロータ周方向において中央部（第１磁石中央部）が両端部（第１磁石両端部）よりも入力側ロータ２８から径方向外側へ離れ、両端部から中央部へ向かうにつれて入力側ロータ２８との距離が徐々に増加するハの字形状を呈し、ハの字形状の永久磁石３３がロータコア５３に埋め込まれている。同様に、各永久磁石３２も、ロータ周方向において中央部（第２磁石中央部）が両端部（第２磁石両端部）よりもステータ１６から径方向内側へ離れ、両端部から中央部へ向かうにつれてステータ１６との距離が徐々に増加するハの字形状を呈し、ハの字形状の永久磁石３２がロータコア５３に埋め込まれている。隣接する永久磁石３２同士で、ロータ周方向の中央部を通る径方向に沿った直線同士の成す角度が、ロータ周方向に６個離れたティース５１ａ同士の成す角度に等しく、各永久磁石３２は６つのティース５１ａ毎に配置されている。そして、隣接する永久磁石３３同士で、ロータ周方向の中央部を通る径方向に沿った直線同士の成す角度が、ロータ周方向に３個離れたティース５２ａ同士の成す角度に等しく、各永久磁石３３は３つのティース５２ａ毎に配置されている。

永久磁石３２と永久磁石３３は、永久磁石３２のロータ周方向の中央部及び出力側ロータ中心軸を通る径方向に沿った直線と、永久磁石３３のロータ周方向の中央部及び出力側ロータ中心軸を通る径方向に沿った直線が互いにずれる（所定の角度を成す）ように、ロータ周方向位置を互いにずらして配置されている。そのため、永久磁石３２のステータ側磁極面３２ａと反対側の磁極面（ロータ側磁極面とする）３２ｂが、ロータコア５３を介して入力側ロータ２８（ティース５２ａ）と径方向に対向する部分を有し、永久磁石３３のロータ側磁極面３３ａと反対側の磁極面（ステータ側磁極面とする）３３ｂが、ロータコア５３を介してステータ１６（ティース５１ａ）と径方向に対向する部分を有する。図３に示す例では、永久磁石３２のロータ周方向の中央部を通る径方向に沿った直線と、永久磁石３３のロータ周方向の中央部を通る径方向に沿った直線との成す角度が、ロータ周方向に６個離れたティース５１ａ同士の成す角度の１／２（ロータ周方向に３個離れたティース５２ａ同士の成す角度の１／２）であり、永久磁石３２と永久磁石３３の位相差が、電気角で９０°である。永久磁石３２と永久磁石３３とで、ハの字の角度が等しく、永久磁石３２のロータ側磁極面３２ｂと永久磁石３３のステータ側磁極面３３ｂが互いに平行に配置されている。以下の説明において、複数の永久磁石３２を区別する必要があるときは、以降３２−１，３２−２，３２−３，〜の符号を用いて説明し、永久磁石３２のステータ側磁極面３２ａ及びロータ側磁極面３２ｂについても、以降３２ａ−１，３２ａ−２，３２ａ−３，〜，３２ｂ−１，３２ｂ−２，３２ｂ−３，〜の符号を用いて説明する。同様に、複数の永久磁石３３を区別する必要があるときは、以降３３−１，３３−２，３３−３，〜の符号を用いて説明し、永久磁石３３のロータ側磁極面３３ａ及びステータ側磁極面３３ｂについても、以降３３ａ−１，３３ａ−２，３３ａ−３，〜，３３ｂ−１，３３ｂ−２，３３ｂ−３，〜の符号を用いて説明する。

直流電源として設けられた充放電可能な蓄電装置４２は、例えば二次電池により構成することができ、電気エネルギーを蓄える。蓄電装置４２とステータ巻線２０との間で電力変換を行う第１電力変換装置として設けられたインバータ４０は、スイッチング素子と、スイッチング素子に対し逆並列接続されたダイオード（整流素子）とを備える公知の構成により実現可能であり、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電装置４２からの直流電力を交流（例えば３相交流）に変換して、ステータ巻線２０の各相に供給することが可能である。さらに、インバータ４０は、ステータ巻線２０の各相に流れる交流電流を直流に変換して、電気エネルギーを蓄電装置４２に回収する方向の電力変換も可能である。このように、インバータ４０は、蓄電装置４２とステータ巻線２０との間で双方向の電力変換を行うことが可能である。

スリップリング９５は、入力側ロータ２８と機械的に連結されており、さらに、ロータ巻線３０の各相と電気的に接続されている。回転が固定されたブラシ９６は、スリップリング９５に押し付けられて電気的に接触する。スリップリング９５は、ブラシ９６に対し摺動しながら（ブラシ９６との電気的接触を維持しながら）、入力側ロータ２８とともに回転する。ブラシ９６は、インバータ４１と電気的に接続されている。蓄電装置４２及びインバータ４０のいずれかとロータ巻線３０との間で電力変換を行う第２電力変換装置として設けられたインバータ４１は、スイッチング素子と、スイッチング素子に対し逆並列接続されたダイオード（整流素子）とを備える公知の構成により実現可能であり、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電装置４２からの直流電力を交流（例えば３相交流）に変換して、ブラシ９６及びスリップリング９５を介してロータ巻線３０の各相に供給することが可能である。さらに、インバータ４１は、ロータ巻線３０の各相に流れる交流電流を直流に変換する方向の電力変換も可能である。その際には、ロータ巻線３０の交流電力がスリップリング９５及びブラシ９６により取り出され、この取り出された交流電力がインバータ４１で直流に変換される。インバータ４１で直流に変換された電力は、インバータ４０で交流に変換されてからステータ巻線２０の各相へ供給可能である。つまり、インバータ４０は、インバータ４１からの直流電力と蓄電装置４２からの直流電力とのいずれか（少なくとも一方）を交流に変換してステータ巻線２０の各相へ供給することが可能である。また、インバータ４１で直流に変換された電力を蓄電装置４２に回収することも可能である。このように、インバータ４１は、蓄電装置４２及びインバータ４０のいずれかとロータ巻線３０との間で双方向の電力変換を行うことが可能である。

電子制御ユニット５０は、インバータ４０のスイッチング素子のスイッチング動作を制御してインバータ４０での電力変換を制御することで、ステータ巻線２０の各相に流れる交流電流を制御する。そして、電子制御ユニット５０は、インバータ４１のスイッチング素子のスイッチング動作を制御してインバータ４１での電力変換を制御することで、ロータ巻線３０の各相に流れる交流電流を制御する。さらに、電子制御ユニット５０は、エンジン３６の運転状態の制御、及び変速機４４の変速比の制御も行う。

インバータ４０のスイッチング動作により３相のステータ巻線２０に３相の交流電流が流れることで、ステータ巻線２０は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生する。そして、ステータ巻線２０の交流電流により発生した回転磁界と、永久磁石３２による界磁磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、ステータ１６と出力側ロータ１８間にトルク（磁石トルク）を作用させることができ、出力側ロータ１８を回転駆動することができる。さらに、ステータ１６の発生する回転磁界が出力側ロータ１８に作用するのに応じて、磁石トルクに加えてリラクタンストルクもステータ１６と出力側ロータ１８間に作用する。したがって、蓄電装置４２からインバータ４０を介してステータ巻線２０に供給された電力を出力側ロータ１８の動力（機械的動力）に変換することができ、ステータ１６及び出力側ロータ１８を同期電動機（ＰＭモータ部）として機能させることができる。さらに、出力側ロータ１８の動力をステータ巻線２０の電力に変換してインバータ４０を介して蓄電装置４２に回収することも可能である。電子制御ユニット５０は、インバータ４０のスイッチング動作により例えばステータ巻線２０に流す交流電流の振幅や位相角を制御することで、ステータ１６と出力側ロータ１８間に作用するトルク（ＰＭモータトルク）を制御することができる。

また、入力側ロータ２８が出力側ロータ１８に対し相対回転して入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に回転差が生じるのに伴ってロータ巻線３０に誘導起電力が発生し、この誘導起電力に起因してロータ巻線３０に誘導電流（交流電流）が流れることで回転磁界が生じる。そして、ロータ巻線３０の誘導電流により生じる回転磁界と永久磁石３３による界磁磁束との電磁気相互作用により、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間にトルク（磁石トルク）を作用させることができ、出力側ロータ１８を回転駆動することができる。さらに、入力側ロータ２８の発生する回転磁界が出力側ロータ１８に作用するのに応じて、磁石トルクに加えてリラクタンストルクも入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間に作用する。したがって、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間で動力（機械的動力）を伝達することができ、入力側ロータ２８及び出力側ロータ１８を誘導電磁カップリング部として機能させることができる。

ロータ巻線３０の誘導電流により入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間にトルク（電磁カップリングトルク）を発生させる際には、電子制御ユニット５０は、ロータ巻線３０に誘導電流が流れるのを許容するように、インバータ４１のスイッチング動作を行う。その際には、電子制御ユニット５０は、インバータ４１のスイッチング動作によりロータ巻線３０に流れる交流電流を制御することで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間に作用する電磁カップリングトルクを制御することができる。一方、電子制御ユニット５０は、インバータ４１のスイッチング素子をオフ状態に維持してスイッチング動作を停止させることで、ロータ巻線３０に誘導電流が流れなくなり、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間にトルクは作用しなくなる。

エンジン３６が動力を発生している場合は、エンジン３６の動力が入力側ロータ２８に伝達され、入力側ロータ２８がエンジン回転方向に回転駆動する。入力側ロータ２８の回転速度が出力側ロータ１８の回転速度より高くなると、ロータ巻線３０に誘導起電力が発生する。電子制御ユニット５０は、ロータ巻線３０に誘導電流が流れるのを許容するように、インバータ４１のスイッチング動作を行う。これによって、ロータ巻線３０の誘導電流と永久磁石３３による界磁磁束との電磁気相互作用により入力側ロータ２８から出力側ロータ１８にエンジン回転方向の電磁カップリングトルクが作用して出力側ロータ１８がエンジン回転方向に回転駆動する。このように、入力側ロータ２８に伝達されたエンジン３６からの動力は、入力側ロータ２８のロータ巻線３０と出力側ロータ１８の永久磁石３３との電磁気結合によって、出力側ロータ１８へ伝達される。出力側ロータ１８に伝達された動力は、変速機４４で変速されてから駆動軸３７（車輪３８）へ伝達されることで、車両の前進駆動等、負荷の正転駆動に用いられる。したがって、エンジン３６の動力を用いて車輪３８を正転方向に回転駆動することができ、車両を前進方向に駆動することができる。さらに、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との回転差を許容することができるため、車輪３８の回転が停止してもエンジン３６がストールすることはない。そのため、回転電機１０を発進装置として機能させることができ、摩擦クラッチやトルクコンバータ等の発進装置を別に設ける必要がなくなる。

さらに、ロータ巻線３０に発生した交流電力は、スリップリング９５及びブラシ９６を介して取り出される。取り出された交流電力はインバータ４１で直流に変換される。そして、インバータ４０のスイッチング動作により、インバータ４１からの直流電力がインバータ４０で交流に変換されてからステータ巻線２０に供給されることで、ステータ巻線２０に交流電流が流れ、ステータ１６に回転磁界が形成される。このステータ１６の回転磁界と出力側ロータ１８の永久磁石３２による界磁磁束との電磁気相互作用によっても、出力側ロータ１８にエンジン回転方向のトルクを作用させることができる。これによって、出力側ロータ１８のエンジン回転方向のトルクを増幅させるトルク増幅機能を実現することができる。また、インバータ４１からの直流電力を蓄電装置４２に回収することも可能である。

さらに、蓄電装置４２からステータ巻線２０へ電力供給するようにインバータ４０のスイッチング動作を制御することで、エンジン３６の動力を用いて車輪３８を正転方向に回転駆動するとともに、ステータ巻線２０への供給電力を用いて発生させた出力側ロータ１８の動力により車輪３８の正転方向の回転駆動をアシストすることができる。また、負荷の減速運転時には、電子制御ユニット５０は、ステータ巻線２０から蓄電装置４２へ電力回収するようにインバータ４０のスイッチング動作を制御することで、負荷の動力をステータ巻線２０と永久磁石３２との電磁気結合によってステータ巻線２０の電力に変換して蓄電装置４２に回収することができる。

また、エンジン３６の動力を用いずに回転電機１０の動力を用いて負荷を駆動する（車輪３８を回転駆動する）ＥＶ（Electric Vehicle）走行を行う場合は、電子制御ユニット５０は、インバータ４０のスイッチング動作を制御することで、負荷の駆動制御を行う。例えば、電子制御ユニット５０は、蓄電装置４２からの直流電力を交流に変換してステータ巻線２０へ供給するように、インバータ４０のスイッチング動作を制御することで、ステータ巻線２０への供給電力をステータ巻線２０と永久磁石３２との電磁気結合によって出力側ロータ１８の動力に変換し、駆動軸３７（車輪３８）を回転駆動する。このように、エンジン３６が動力を発生していなくても、ステータ巻線２０への電力供給により車輪３８を回転駆動することができる。

ここで、図４において、永久磁石３２−２，３２−４のステータ側磁極面３２ａ−２，３２ａ−４、永久磁石３２−１，３２−３のロータ側磁極面３２ｂ−１，３２ｂ−３、永久磁石３３−２，３３−４のステータ側磁極面３３ｂ−２，３３ｂ−４、及び永久磁石３３−１，３３−３のロータ側磁極面３３ａ−１，３３ａ−３がＮ極面であり、永久磁石３２−２，３２−４のロータ側磁極面３２ｂ−２，３２ｂ−４、永久磁石３２−１，３２−３のステータ側磁極面３２ａ−１，３２ａ−３、永久磁石３３−２，３３−４のロータ側磁極面３３ａ−２，３３ａ−４、及び永久磁石３３−１，３３−３のステータ側磁極面３３ｂ−１，３３ｂ−３がＳ極面である例を考える。ステータ１６と出力側ロータ１８間にトルクを作用させる際には、図５の矢印Ａに示すように、永久磁石３２−２のステータ側磁極面（Ｎ極面）３２ａ−２からステータ１６（ステータコア５１）を通って永久磁石３２−１，３２−３のステータ側磁極面（Ｓ極面）３２ａ−１，３２ａ−３に磁束が流れ、永久磁石３２−１〜３２−３による界磁磁束がステータ巻線２０に鎖交する。その際には、図５の矢印Ｂに示すように、永久磁石３２−１，３２−３のロータ側磁極面（Ｎ極面）３２ｂ−１，３２ｂ−３からロータコア５３を通って永久磁石３２−２のロータ側磁極面（Ｓ極面）３２ｂ−２に磁束が流れる。また、図５の矢印Ｃに示すように、永久磁石３３−２のステータ側磁極面（Ｎ極面）３３ｂ−２からロータコア５３を通って永久磁石３３−１，３３−３のステータ側磁極面（Ｓ極面）３３ｂ−１，３３ｂ−３に磁束が流れる。その際に、ロータコア５３を流れる磁束が磁気飽和していない状態では、ステータ１６と出力側ロータ１８間のギャップ（空隙）の磁気抵抗Ｒ１がロータコア５３の磁気抵抗Ｒ２よりも十分大きいため、永久磁石３３−２のステータ側磁極面３３ｂ−２からの磁束がステータ１６に流れ出すことはない。ただし、ロータコア５３を流れる磁束が磁気飽和した状態では、ロータコア５３の磁気抵抗Ｒ２が空気の磁気抵抗と同等程度まで増加する。その状態では、図５の矢印Ｄに示すように、永久磁石３３−２のステータ側磁極面３３ｂ−２からの磁束がステータ１６（ステータコア５１）に流れ出すようになる。このステータコア５１に流れ出す磁束が、永久磁石３２−１〜３２−３による界磁磁束に影響を与え、ステータ巻線２０への鎖交磁束に影響を与える。

また、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間にトルクを作用させる際には、図６の矢印Ｅに示すように、永久磁石３３−３のロータ側磁極面（Ｎ極面）３３ａ−３から入力側ロータ２８（ロータコア５２）を通って永久磁石３３−２，３３−４のロータ側磁極面（Ｓ極面）３３ａ−２，３３ａ−４に磁束が流れ、永久磁石３３−２〜３３−４による界磁磁束がロータ巻線３０に鎖交する。その際には、図６の矢印Ｆに示すように、永久磁石３３−２，３３−４のステータ側磁極面（Ｎ極面）３３ｂ−２，３３ｂ−４からロータコア５３を通って永久磁石３３−３のステータ側磁極面（Ｓ極面）３３ｂ−３に磁束が流れる。また、図６の矢印Ｇに示すように、永久磁石３２−３のロータ側磁極面（Ｎ極面）３２ｂ−３からロータコア５３を通って永久磁石３２−２，３２−４のロータ側磁極面（Ｓ極面）３２ｂ−２，３２ｂ−４に磁束が流れる。その際に、ロータコア５３を流れる磁束が磁気飽和しておらず、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間のギャップ（空隙）の磁気抵抗Ｒ３がロータコア５３の磁気抵抗Ｒ２よりも十分大きい状態では、永久磁石３２−３のロータ側磁極面３２ｂ−３からの磁束が入力側ロータ２８に流れ出すことはない。ただし、ロータコア５３を流れる磁束が磁気飽和し、ロータコア５３の磁気抵抗Ｒ２が空気の磁気抵抗と同等程度まで増加した状態では、図６の矢印Ｈに示すように、永久磁石３２−３のステータ側磁極面３２ｂ−３からの磁束が入力側ロータ２８（ロータコア５２）に流れ出すようになる。この入力側ロータ２８に流れ出す磁束が、永久磁石３３−２〜３３−４による界磁磁束に影響を与え、ロータ巻線３０への鎖交磁束に影響を与える。

本実施形態では、ロータコア５３（永久磁石３２のロータ側磁極面３２ｂと永久磁石３３のステータ側磁極面３３ｂ間に位置する磁路）を流れる永久磁石３３の磁束が磁気飽和するように、永久磁石３３の残留磁束密度及び磁極面幅と、ロータコア５３の飽和磁束密度（飽和磁化）及び磁路幅を設計する。より具体的には、永久磁石３３の残留磁束密度をＢｒ１[Ｔ]、永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）の幅（ハの字に沿った方向の幅）をＷ１（図４参照）、ロータコア５３の飽和磁化をＪｓ[Ｔ]、永久磁石３２と永久磁石３３の距離（ロータ側磁極面３２ｂとステータ側磁極面３３ｂ間の距離）をＬ（図４参照）とすると、以下の（１）式が成立する。これによって、隣接する永久磁石３３のステータ側磁極面３３ｂ間を通る磁束がロータコア５３からステータコア５１に流れ出すようにし、ステータ巻線２０への鎖交磁束に影響を与えるようにする。

Ｊｓ×Ｌ＜Ｂｒ１×Ｗ１ （１）

また、ロータコア５３を流れる永久磁石３２の磁束が磁気飽和するように、永久磁石３２の残留磁束密度及び磁極面幅と、ロータコア５３の飽和磁束密度（飽和磁化）及び磁路幅を設計する。より具体的には、永久磁石３２の残留磁束密度をＢｒ２[Ｔ]（例えばＢｒ２＝Ｂｒ１とする）、永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）の幅（ハの字に沿った方向の幅）をＷ２（図４参照）とすると、以下の（２）式が成立する。これによって、隣接する永久磁石３２のロータ側磁極面３２ｂ間を通る磁束がロータコア５３から入力側ロータ２８（ロータコア５２）に流れ出すようにし、ロータ巻線３０への鎖交磁束に影響を与えるようにする。

Ｊｓ×Ｌ＜Ｂｒ２×Ｗ２ （２）

また、（１）、（２）式から、以下の（３）式が成立する。なお、永久磁石３２と永久磁石３３間のロータコア５３の磁路幅（ロータ側磁極面３２ｂとステータ側磁極面３３ｂ間の距離）が一定でない場合は、ロータコア５３の磁路幅（ロータ側磁極面３２ｂとステータ側磁極面３３ｂ間の距離）の最小値をＬとする。

２×Ｊｓ×Ｌ＜Ｂｒ１×Ｗ１＋Ｂｒ２×Ｗ２ （３）

出力側ロータ１８の回転角に対するステータ巻線２０への鎖交磁束の関係を図７に示す。図７では、永久磁石３２のロータ周方向中央位置がＵ相ステータ巻線２０のロータ周方向中央位置と一致する状態（図３に示す状態）での出力側ロータ１８の回転角を電気角で０°とし、電気角を変化させた場合におけるＵ相ステータ巻線２０への鎖交磁束の変化を示している。永久磁石３２と永久磁石３３とでロータ周方向位置が一致している場合や、ロータコア５３を流れる永久磁石３３の磁束が磁気飽和していない場合等、隣接する永久磁石３３のステータ側磁極面３３ｂ間を通る磁束がステータ巻線２０への鎖交磁束に影響を与えない比較例では、電気角が０°でＵ相ステータ巻線２０への鎖交磁束がピーク（最大）となる。これに対して、永久磁石３２と永久磁石３３とでロータ周方向位置がずれ、ロータコア５３を流れる永久磁石３３の磁束が磁気飽和することで、隣接する永久磁石３３のステータ側磁極面３３ｂ間を通る磁束がステータ巻線２０への鎖交磁束に影響を与える本実施形態では、Ｕ相ステータ巻線２０への鎖交磁束がピーク（最大）となる電気角が０°からずれる特性を有する。

また、通常の磁石埋込型（ＩＰＭ）モータでは、磁石トルクは、鎖交磁束に対して電気角で９０°ずれた状態（ｑ軸電流のみを流した状態）でステータ巻線２０に電流を流したとき（電流進角０°とする）に最大となる。一方、図８に示すように、リラクタンストルクは、磁石トルクに対して４５°位相がずれた電流進角で最大となる。これらの和としてＩＰＭモータの全体トルクの最大値が決定され、例えば磁石トルクの最大値がリラクタンストルクの最大値の２倍となる場合には、図８に示すように、電流進角が約３０°でＩＰＭモータの全体トルクが最大となる。そして、電流進角に対するＩＰＭモータの全体トルクの特性は、電流進角９０°（トルク０）の点を中心として点対称となる。

これに対して、隣接する永久磁石３３のステータ側磁極面３３ｂ間を通る磁束がステータ巻線２０への鎖交磁束に影響を与えることで、ステータ巻線２０への鎖交磁束がピークとなる電気角が０°からずれる特性を有する本実施形態では、図９に示すように、ステータ１６と出力側ロータ１８間の磁石トルクが最大となるステータ巻線２０の電流進角が、通常のＩＰＭモータ（０°）から変化する（図９は３０°変化した例を示す）。磁石トルクの位相がずれることで、ステータ１６と出力側ロータ１８間の全体トルク（磁石トルクとリラクタンストルクの和）の特性は、図９に示すように、電流進角９０°（トルク０）の点を中心とした点対称とはならず異方性を有する。その結果、図１０に示すように、磁石トルクとリラクタンストルクが強め合う電流進角において、通常のＩＰＭモータよりも大きなトルクを得ることができる。

このように、本実施形態では、永久磁石３２のロータ周方向の中央部及び出力側ロータ中心軸を通る径方向に沿った直線と、永久磁石３３のロータ周方向の中央部及び出力側ロータ中心軸を通る径方向に沿った直線が互いにずれるように、永久磁石３２と永久磁石３３とでロータ周方向位置をずらし、（１）式を満たすように、永久磁石３３の残留磁束密度Ｂｒ１及び磁極面幅Ｗ１と、ロータコア５３の飽和磁束密度（飽和磁化）Ｊｓ及び磁路幅Ｌを設計する。これによって、隣接する永久磁石３３のステータ側磁極面３３ｂ間を通る磁束が磁気飽和状態のロータコア５３からステータ１６（ステータコア５１）に流れ出し、ステータ巻線２０への鎖交磁束がピークとなる電気角が０°から変化する。ステータ１６と出力側ロータ１８間のトルクに永久磁石３２の磁束だけでなく永久磁石３３の磁束も利用することで、ステータ巻線２０の電流位相に対する磁石トルクの特性が変化し、リラクタンストルクと足し合わされた全体トルクの特性が異方性を有する。その結果、出力側ロータ１８に配設する永久磁石３２の量の増加を招くことなく、ステータ１６と出力側ロータ１８間に発生可能な最大トルクを増加させることができる。なお、本実施形態では、図１０に示すように、通常のＩＰＭモータと比較して、正方向のトルクが増加する一方、負方向のトルクが減少するが、トルクが増加する出力側ロータ１８のトルクの方向（正方向）をエンジン３６の回転方向と一致させることで、ＥＶ走行時等、出力側ロータ１８から駆動軸３７（車輪３８）へ伝達可能な最大トルクを増加させることができる。

同様に、（２）式を満たすように、永久磁石３２の残留磁束密度Ｂｒ２及び磁極面幅Ｗ２と、ロータコア５３の飽和磁束密度（飽和磁化）Ｊｓ及び磁路幅Ｌを設計することで、隣接する永久磁石３２のロータ側磁極面３２ｂ間を通る磁束が磁気飽和状態のロータコア５３から入力側ロータ２８（ロータコア５２）に流れ出し、ロータ巻線３０への鎖交磁束がピークとなる入力側ロータ２８と出力側ロータ１８の相対位置が、永久磁石３３のロータ周方向中央位置とロータ巻線３０のロータ周方向中央位置が一致する状態から変化する。入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間のトルクに永久磁石３３の磁束だけでなく永久磁石３２の磁束も利用することで、ロータ巻線３０の電流位相に対する磁石トルクの特性が変化し、リラクタンストルクと足し合わされた全体トルクの特性が異方性を有する。その結果、出力側ロータ１８に配設する永久磁石３３の量の増加を招くことなく、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間に発生可能な最大トルクを増加させることができる。その際には、トルクが増加する出力側ロータ１８のトルクの方向（正方向）をエンジン３６の回転方向と一致させることで、エンジン３６から駆動軸３７（車輪３８）へ伝達可能な最大トルクを増加させることができる。

なお、特許文献１には、第２ロータにおいて、第１ロータに界磁磁束を作用させる第１永久磁石とステータに界磁磁束を作用させる第２永久磁石とで周方向位置をずらした例が示されている。ただし、第２ロータの第１及び第２永久磁石の周方向位置をずらすだけでは、第２ロータと第１ロータ間のギャップ（空隙）の磁気抵抗、及び第２ロータとステータ間のギャップ（空隙）の磁気抵抗が第２ロータのコア（磁路）の磁気抵抗よりも十分高いため、第１永久磁石の磁束が第２ロータのコアからステータに流れ出したり、第２永久磁石の磁束が第２ロータのコアから第１ロータに流れ出したりすることはない。さらに、特許文献１には、第２ロータの第１永久磁石と第２永久磁石間のコア（磁路）を通る磁束を磁気飽和させることについては何ら示されていない。

また、通常のＩＰＭモータにおいて、ロータコアの径方向厚さを薄くしていった場合のトルク特性の例を図１１に示す。図１１に示すように、ロータコアのある程度の薄肉化まではトルクへの影響はないが、ロータコアがある一定の厚さｔ０よりも薄くなると、トルクが大幅に減少することがわかる。そのため、ステータ１６と入力側ロータ２８と出力側ロータ１８を備える回転電機１０において、図１２に示すように、永久磁石３２と永久磁石３３とでロータ周方向の位相が一致している場合は、ロータコア５３の径方向厚さはトルク減少前の厚さｔ０の２倍最低限必要になる。

ただし、ロータコア５３における永久磁石３２後方の磁路（バックヨーク）は、永久磁石３２に対して一定の幅を保っていることが重要であるため、例えば図１３に示すように、永久磁石３２の磁極面に沿ってＶ字に空気層５５を形成した場合には、ロータコア５３の厚さを薄くした場合のトルク低下を少なくすることが可能となる。図１３に示す構成において、ロータコア５３の厚さｔを薄くしていった場合のトルク特性の例を図１４に示す。図１４に示すように、ｔ０よりも薄い厚さｔ１までトルクを維持できることがわかる。そのため、ステータ１６と入力側ロータ２８と出力側ロータ１８を備える回転電機１０において、永久磁石３２と永久磁石３３とでロータ周方向位置をずらし、図１３の空気層５５の位置に永久磁石３３を配置することで、図１２に示す構成で有効利用されていなかったロータコア５３の領域を効率よく使用することができ、図１２に示す構成よりもロータコア５３の厚さを薄くすることができる。その結果、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８のギャップ径を大きくとることができ、トルクの高密度化を実現することができる。

以上の点を考慮した本実施形態における出力側ロータ１８の好適な構成例を図１５，１６に示す。図１５に示す構成例において、永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）と永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）間の中間位置を通って永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）及び永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）と平行方向（ハの字に沿った方向）に延びる面同士を結んだ中間面３４（図１５の破線）を定義する。中間面３４と永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）間の距離は、中間面３４と永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）間の距離と等しく、永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）と永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）間の距離（ロータコア５３の磁路幅）Ｌの１／２である。中間面３４は、永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）におけるステータ１６から最も径方向内側へ離れた中央部（第２磁石中央部）よりも径方向外側に位置する部分（ステータ１６との距離が近い部分）３４−１を有する。さらに、中間面３４は、永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）における入力側ロータ２８から最も径方向へ離れた中央部（第１磁石中央部）よりも径方向内側に位置する部分（入力側ロータ２８との距離が近い部分）３４−２を有する。永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）におけるステータ１６から最も径方向内側へ離れた中央部は、永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）における入力側ロータ２８から最も径方向外側へ離れた中央部よりも径方向外側（ステータ１６との距離が近い位置）に配置されており、永久磁石３２の内径（ロータ側磁極面３２ｂの中央部とロータ回転中心軸との距離）が、永久磁石３３の外径（ステータ側磁極面３３ｂの中央部とロータ回転中心軸との距離）よりも大きい。図１５に示す構成例によれば、出力側ロータ１８のスペースを有効利用して出力側ロータ１８（ロータコア５３）の径方向厚さを薄くすることができ、トルク密度を向上させることができる。

また、図１６に示す構成例では、永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）におけるステータ１６から最も径方向内側へ離れた中央部（第２磁石中央部）が、永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）における入力側ロータ２８から最も径方向外側へ離れた中央部（第１磁石中央部）よりも径方向内側（入力側ロータ２８との距離が近い位置）に配置されており、永久磁石３２の内径（ロータ側磁極面３２ｂの中央部とロータ回転中心軸との距離）が、永久磁石３３の外径（ステータ側磁極面３３ｂの中央部とロータ回転中心軸との距離）よりも小さい。永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）の中央部は、永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）における最も径方向内側に位置する（入力側ロータ２８との距離が最も近い）両端部よりも入力側ロータ２８から径方向外側へ離れており、永久磁石３３（ステータ側磁極面３３ｂ）の中央部は、永久磁石３２（ロータ側磁極面３２ｂ）における最も径方向外側に位置する（ステータ１６）との距離が最も近い両端部よりもステータ１６から径方向内側へ離れている。図１６に示す構成例によれば、出力側ロータ１８のスペースをさらに有効利用して出力側ロータ１８（ロータコア５３）の径方向厚さをさらに薄くすることができ、トルク密度をさらに向上させることができる。

以上の実施形態では、（１）式及び（２）式の両方が成立する場合について説明したが、（１）式及び（２）式のいずれかが成立するように、永久磁石３３の残留磁束密度Ｂｒ１及び磁極面幅Ｗ１と、永久磁石３２の残留磁束密度Ｂｒ２及び磁極面幅Ｗ２と、ロータコア５３の飽和磁束密度（飽和磁化）Ｊｓ及び磁路幅Ｌを設計することも可能である。また、以上の実施形態では、永久磁石３２，３３がハの字形状である例について説明したが、永久磁石３２，３３の形状はハの字形状以外であってもよく、その場合でも、（１）式が成立することで、ステータ１６と出力側ロータ１８間の最大トルクを増加させることができ、（２）式が成立することで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８間の最大トルクを増加させることができる。また、以上の実施形態では、永久磁石３２と永久磁石３３の位相差（永久磁石３２のロータ周方向の中央部を通る径方向に沿った直線と永久磁石３３のロータ周方向の中央部を通る径方向に沿った直線との成す角度）が電気角で９０°である例について説明したが、永久磁石３２と永久磁石３３の位相差は電気角で９０°以外であってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 回転電機、１６ ステータ、１８ 出力側ロータ（第２ロータ）、２０ ステータ巻線、２８ 入力側ロータ（第１ロータ）、３０ ロータ巻線、３２，３３ 永久磁石、３２ａ，３３ｂ ステータ側磁極面、３２ｂ，３３ａ ロータ側磁極面、３６ エンジン、３７ 駆動軸、３８ 車輪、４０，４１ インバータ、４２ 蓄電装置、４４ 変速機、５０ 電子制御ユニット、５１ ステータコア、５２，５３ ロータコア、９５ スリップリング、９６ ブラシ。

Claims (4)

1. 回転子巻線が配設された第１回転子と、
   固定子巻線が配設された固定子と、
   第１回転子及び固定子と対向し、第１回転子に対し相対回転可能な第２回転子と、
   を備え、
   第２回転子は、
   回転子鉄心と、
   周方向に互いに間隔をおいて回転子鉄心に配設された複数の第１磁石であって、その各々が第１回転子と対向する複数の第１磁石と、
   周方向に互いに間隔をおいて回転子鉄心に配設された複数の第２磁石であって、その各々が固定子と対向する複数の第２磁石と、
   を含み、
   第１磁石は、周方向において第１磁石中央部が第１磁石両端部よりも第１回転子から離れた形状を呈し、
   第２磁石は、周方向において第２磁石中央部が第２磁石両端部よりも固定子から離れた形状を呈し、
   第１磁石の周方向の中央部及び第２回転子中心軸を通る径方向に沿った直線と、第２磁石の周方向の中央部及び第２回転子中心軸を通る径方向に沿った直線が互いにずれるように、第１磁石と第２磁石が配置され、
   第１磁石における残留磁束密度と磁極面の幅との積、及び第２磁石における残留磁束密度と磁極面の幅との積の少なくとも一方が、回転子鉄心の飽和磁束密度と第１磁石と第２磁石の距離との積よりも大きい、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   第１磁石と第２磁石間の中間位置を通る中間面が、第１磁石における第１回転子から最も離れた第１磁石中央部よりも第１回転子との距離が近い部分と、第２磁石における固定子から最も離れた第２磁石中央部よりも固定子との距離が近い部分とを有する、回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機であって、
   第２磁石における固定子から最も離れた第２磁石中央部が、第１磁石における第１回転子から最も離れた第１磁石中央部よりも第１回転子との距離が近い位置に配置されている、回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の回転電機であって、
   第１回転子にエンジンからの動力が伝達され、
   第２回転子から駆動軸へ動力が伝達される、回転電機。

Images