JP6424729B2 - 回転電機 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開２０１５−１６７４０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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〉

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〉

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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〉

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。

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。

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。

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。

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。

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〉

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。

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。

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。

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〉

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。

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。

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〉

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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〉

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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〉

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。