JP6537930B2 - 電気機械エネルギー変換装置 - Google Patents

Description

本願発明は、電気エネルギーと力学的エネルギーとの間の変換を行う電気機械エネルギー変換装置に関する。

磁界共振結合の適用分野としてワイヤレス電力伝送技術が提案されている。（非特許文献１）この技術は従来の電磁誘導を利用したワイヤレス電力伝送技術と比較して伝送距離が比較的長いという特徴がある。

電力伝送システムでは、供給側の１次側と受給側の２次側はそれぞれ磁気的に結合の小さいコイルを備え、１次側から見たインピーダンスが極小となる共振周波数が存在し、Ｑ値が十分高ければ、コイル間の磁気結合が小さくても共振周波数において電力伝送を可能とするものである。

A. Kurs, A. Karals, R. Moffatt, J.D.Joannopoulos, P. Fischer, and M.Soljacic, "Wirelss Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances"Science vol. 317, pp.83-86 2007

電気機械エネルギー変換装置として誘導機が知られている。誘導機は固定子側コイルと回転子側コイルの間の磁気結合を用いて電気エネルギーを力学的エネルギー（機械エネルギー）に変換する装置であり、供給電力を有効に利用して回転子を回転駆動させるには固定子側コイルと回転子側コイルのコイル間の磁気結合が大きいことが望ましい。

磁界共振結合について提案される利用分野は電力伝送技術であって、磁界共振結合と電磁誘導とはエネルギーの変換原理が異なること、磁気結合の作用が相違すること、及び磁界共振結合を利用した電力伝送技術は機械的要素を含まないことなどの理由から、磁界共振結合を電気機械エネルギー変換装置に適用することは想定されておらず、出願人が知る限りに於いて提案されていない。

そこで、本願発明は、磁界共振結合を電気機械エネルギー変換技術に適用し、新規な電気機械エネルギー変換装置を提供することを目的とする。

本願発明は、１次側コイルと２次側コイルとの間において、磁界共振結合を用いてエネルギー交換を行う電気機械エネルギー変換装置であり、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動機、及び機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機としての利用に適するものである。

磁界共振結合では、１次側のコイルを含む共振回路と、２次側のコイルを含む共振回路とが、１次側と２次側の相互インダクタンスを含めた結合共振回路を構成し、結合共振回路を共振周波数で駆動することによって１次側と２次側の間の磁界が共振状態にあると、両コイル間でエネルギー交換が行われる。本願発明の電気機械エネルギー変換装置は、この磁界共振結合によるエネルギー変換を利用するものであり、電磁誘導で行われるコイル間の磁気結合とは異なる動作原理に基づくものであり、コイル間の磁気結合が小さい場合であっても行うことができる。

磁界共振結合では、一方の共振回路に共振周波数付近の電流が流れると、他方の共振回路にも共振周波数付近の電流が流れる。磁界共振結合は、共振周波数を中心とする所定周波数幅の周波数の範囲で起こり、共振周波数に近いほど大きな電流が流れる。

１次側コイルと２次側コイルとは相互インダクタンスで結合された関係にあるため、１次側の多相巻線の各共振回路の共振周波数及び２次側の多相巻線の共振回路の共振周波数は、それぞれの多相巻線の共振回路では同一周波数であるが、２次側も共振周波数は２次側の移動に伴う影響によって多少のずれが生じる。

１次側コイルと２次側コイルとの間を磁気結合でエネルギー変換する場合には、磁気結合を大きくするために１次側と２次側との間のギャップを狭める必要があるが、本願発明の電気機械エネルギー変換装置は磁界共振結合を利用したエネルギー変換であり１次側コイルと２次側コイルとの間の磁気結合が小さい場合であっても動作するため、１次側と２次側との間のギャップを大きくすることができるという効果を奏することができる。

また、通常の磁気結合による誘導機では、固定子巻線の電源周波数を高くするとすべり周波数が大きくなるため、可動子巻線のリアクタンスが増大して２次電流が流れにくくなり、トルク低下を招くという問題がある。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置の電動機は、すべり周波数が共振周波数に近い付近で２次電流が大きいという特性がある。本願発明の電気機械エネルギー変換装置による電動機のすべり周波数は１次側の電源周波数と可動子の角速度との差で表され、電源周波数を共振周波数付近とすると、可動子の周波数は共振周波数と比較して十分に小さいため、すべり周波数は共振周波数に近くなる。

そのため、本願発明の電気機械エネルギー変換装置の電動機は、すべり周波数が共振周波数に近くなることから大きな２次電流を得ることができ、２次電流低下によるトルクの低下を抑制することができるという効果を奏することができる。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置は、コイルを空間的に互いに９０°位相をずらして配置した１次側の多相巻線と、コイルを空間的に互いに９０°位相をずらして配置した２次側の多相巻線と、１次側のコイルに互いに位相が９０°異なる交流電圧を供給して、多相巻線に進行波を発生させる交流電圧源とを備える。なお、１次側の多相巻線と２次側の多相巻線とは同じ相数であり、例えば、１次側が二相巻線であるときには２次側も二相巻線とし、１次側が三相巻線であるときは２次側も三相巻線とする。

１次側の多相巻線の各相のコイルのインダクタンスは、それぞれ共振周波数を同じくする１次側共振回路を形成し、２次側の多相巻線の各相のコイルのインダクタンスは、それぞれ共振周波数を同じくする２次側共振回路を形成する。また、１次側の多相巻線の各相のコイルのインダクタンス、２次側の多相巻線の各相のコイルのインダクタンス、及び１次側と２次側との間の相互インダクタンスは結合共振回路を形成する。

１次側共振回路及び２次側共振回路は、各相のインダクタンスとキャパシタンスによって構成する。ここで、キャパシタンスは各コイル及び配線の寄生容量を用いる他、別途コンデンサを接続してもよい。

交流電圧源は１次側共振回路を１次側共振回路の共振周波数で駆動し、結合共振回路は、各コイルのインダクタンスと相互インダクタンスとの間において、共振周波数の駆動で生じる磁界共振結合によって、２次側共振回路に共振周波数付近の電流を発生させる。

電気機械エネルギー変換装置において、１次側のコイルに共振周波数で電流を流すと、結合共振回路の磁界共振結合によって２次側のコイルに電流が発生する。このとき、１次側の多相巻線の電流の共振周波数と、２次側の多相巻線の電流の周波数とは同一であるが、１次側の電流の共振周波数との間には２次側の移動に伴う影響によって多少のずれが生じる。

このとき、１次側のコイルの磁界変化によって２次側のコイルに力を発生させることができ、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。また、２次側のコイルに外力を加えることによって１次側のコイルに電流を発生させることができ、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

［電気エネルギーから機械エネルギーへの変換］
電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械エネルギー変換装置は、１次側の多相巻線を固定子とし、２次側の多相巻線を可動子とし、交流電源から固定子に電気エネルギーを供給し、固定子の多相巻線と可動子の多相巻線の両コイル間で作用する機械エネルギー（力学的エネルギー）に変換して、可動子を機械的に駆動させる。

電気機械エネルギー変換において、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換は駆動機構として利用することができ、可動子を回転させる回転駆動や、可動子を直線状に移動させる直動駆動に適用することができる。

また、駆動機構を２つ用い、それぞれの駆動機構が備える駆動共振回路を異なる共振周波数で駆動することによって、可動子を２次元上で移動させる２次元駆動や、可動子について回転と直動と独立して行う駆動に適用することができる。また、駆動機構を２つ用いる構成として、１つの回転軸を２つの駆動部で駆動する構成や、２つの回転軸を独立して駆動する構成とすることもできる。

（回転駆動の構成）
回転駆動を行う構成は、固定子の多相巻線と可動子の多相巻線において、各多相巻線が持つ各相のコイルを回転軸に対して周方向に環状に配置し、固定子の多相巻線と可動子の多相巻線を回転軸の同軸状に配置する。これらの環状及び同軸状の配置によって、可動子は固定子に対して回転駆動する。回転駆動の構成では、可動子を回転子（ロータ）と称し、固定子をステータと称する。

（直線駆動の構成）
直動駆動を行う構成は、固定子の多相巻線と可動子の多相巻線において、各多相巻線が持つ各相のコイルを直線状に配置し、固定子の多相巻線と可動子の多相巻線を直線配置に対して並列して配置する。これらの直線配置によって、可動子は固定子に対して直線駆動する。

（２つの駆動機構を備える構成）
第１駆動機構と第２駆動機構の２つの駆動機構を備える構成において、固定子と可動子とをペアで備え、第１駆動機構及び第２駆動機構をそれぞれ異なる共振周波数で駆動する。第１駆動機構と第２駆動機構とを異なる共振周波数で駆動することによって、各駆動機構を独立して駆動することができる。

第１駆動機構を駆動する共振周波数と第２駆動機構を駆動する共振周波数は、各駆動機構が備えるコイルのインダクタンス及びキャパシタンスで定まる。したがって、インダクタンスやキャパシタンスの設定によって共振周波数を異ならせることができる。

また、１次側共振回路、２次側共振回路、及び１次側と２次側との間の相互インダクタンスからなる結合共振回路は、可動子の速度の周波数だけ異なる２つの共振周波数を備えるため、第１駆動機構及び第２駆動機構を同じ構成とし、この構成が備える２つの共振周波数の内、一方の共振周波数で第１駆動機構を駆動し、他方の共振周波数で第２駆動機構を駆動する構成とすることもできる。

第１駆動機構と第２駆動機構とは異なる共振周波数で駆動されるため、第１駆動機構と第２駆動機構とをそれぞれ独立して駆動することができる。

２つの駆動機構を備える構成では、２つの可動子を平面上で２次元駆動する構成、可動子を回転子とし、回転子を回転軸の周囲で回転させる回転駆動と、回転子を回転軸の軸方向に直線移動させる直動駆動とを行わせる構成とすることができる。

また、１つの回転子に２つの駆動機構からそれぞれ独立して駆動力を加える構成、２つの回転子を同軸に配置し、各回転子を２つの駆動機構でそれぞれ独立して駆動する構成とすることができる。

・２次元駆動：
２次元駆動の電気機械エネルギー変換装置において、第１駆動機構及び第２駆動機構は、固定子の多相巻線と可動子の多相巻線において、それぞれ、各多相巻線が持つ各相のコイルを直線状に配置し、固定子の多相巻線と可動子の多相巻線を直線配置に対して並列して配置する。可動子は固定子に対して直線駆動し、第１駆動機構の駆動方向と第２駆動機構の駆動方向とは互いに所定角度を有する。

第１駆動機構の駆動方向と第２駆動機構の駆動方向をそれぞれｘ軸方向及びｙ軸方向とした場合には、可動子をｘ軸方向とｙ軸方向とでそれぞれ独立して干渉すること無く駆動することができる。

・回転及び直動機：
回転及び直動で駆動する電気機械エネルギー変換装置において、第１駆動機構及び第２駆動機構は、固定子の多相巻線と回転子（可動子）の多相巻線において、各多相巻線が持つ一方の相のコイルを、回転軸に対して周方向に環状に配置し、固定子の多相巻線の内で環状に配置された相の巻線と、回転子（可動子）の多相巻線の内で環状に配置された相の巻線とを、回転軸と直交する方向に同軸状に配置し、各多相巻線が持つ他方の相のコイルを、回転軸の方向に直線状に配置し、固定子の多相巻線の内で直線に配置された相の巻線と、回転子（可動子）の多相巻線の内で直線状に配置された相の巻線とを、回転軸と直交する方向に同軸状に配置する。

回転子（可動子）は固定子に対して、それぞれ独立して互いに干渉することなく駆動する第１駆動機構と第２駆動機構によって、回転駆動と直線駆動とを行う。

・１つの回転子を２つの駆動機構で駆動する構成：
１つの回転子を２つの駆動機構で駆動する電気機械エネルギー変換装置において、第１駆動機構及び第２駆動機構は、各多相巻線が持つ各相のコイルを、回転軸に対して周方向に環状に配置し、第１駆動機構と第２駆動機構の各回転子を接合して１つの回転子とし、第１駆動機構と第２駆動機構の固定子を、回転子を挟んで内周及び外周に同軸状に配置し、２つの固定子は回転子に対して同一方向又は逆方向に回転駆動力を加える。

回転子に対して２つの固定子から同一方向の回転駆動力を加える場合には、回転子の回転駆動力を増加させることができる。一方、回転子に対して２つの固定子から逆方向の回転駆動力を加える場合には、外力によって回転子に何れかの方向に回転力が加えられたときに、回転子の回転を止める力として作用し、回転子の回転を抑制することができる。

・２つの回転子を同軸で駆動する構成：
２つの回転子を同軸で駆動する電気機械エネルギー変換装置において、第１駆動機構及び第２駆動機構は、各多相巻線が持つ各相のコイルを、回転軸に対して周方向に環状に配置し、第１駆動機構と第２駆動機構の回転子及び固定子を同軸状に配置し、２つの回転子は独立に回転駆動する。第１駆動機構と第２駆動機構とは独立して駆動することができ、互いに干渉しないため、２つの回転軸をそれぞれ独立して駆動することができる。

［機械エネルギーから電気エネルギーへの変換］
機械エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械エネルギー変換装置は、１次側の多相巻線を固定子とし、２次側の多相巻線を可動子とし、可動子の多相巻線と固定子の多相巻線の両コイル間に作用する力学的エネルギーを、固定子側の電気エネルギーに変換し、固定子の交流電圧源に電気エネルギーを供給する。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置において、１次側の多相巻線及び２次側の多相巻線のコイルは、オープンエンド又はクローズドエンドで構成することができる。オープンエンドのコイルは、コイルに直列接続された電気容量と共に１次側共振回路及び２次側共振回路を形成する。クローズドエンドのコイルは、コイルに並列接続された電気容量と共に１次側共振回路及び２次側共振回路を形成する。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置は、磁界共振結合を電気機械エネルギー変換技術に適用し、新規な電気機械エネルギー変換装置を提供することができる。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置の概要を説明するための図である。 本願発明の電気機械エネルギー変換装置の概要を説明するための図である。 本願発明の電気機械エネルギー変換装置の概要を説明するための図である。 本願発明の電気機械エネルギー変換装置の概要を説明するための図である。 本願発明の電気機械エネルギー変換装置の特性を説明するための図である。 本願発明の電気機械エネルギー変換装置の特性を説明するための図である。 本願発明の電気機械エネルギー変換装置の特性を説明するための図である。 本願発明の回転駆動を行う第１の構成例を説明するための図である。 本願発明の直線駆動を行う第２の構成例を説明するための図である。 本願発明の回転駆動と直線駆動とを組み合わせた第３の構成例を説明するための図である。 本願発明の回転駆動の他の構成例を説明するための図である。

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１〜図４を用いて本願発明の電気機械エネルギー変換装置の概要を説明し、図５〜図７を用いて本願発明の電気機械エネルギー変換装置の特性を説明し、図８を用いて本願発明の回転駆動を行う第１の構成例を説明し、図９を用いて本願発明の直線駆動を行う第２の構成例を説明し、図１０を用いて本願発明の回転駆動と直線駆動とを組み合わせた第３の構成例を説明し、図１１を用い本願発明の回転駆動の他の構成例を説明する。

（電気機械エネルギー変換装置の概略構成）
本願発明の電気機械エネルギー変換装置の概略構成について図１〜図４を用いて説明する。
以下では、本願発明の電気機械エネルギー変換装置が備える多相巻線として二相巻線を例として説明する。図１、２は電気機械エネルギー変換装置が備える２組の二相巻線を示し、図３，４は二相巻線の等価回路を示している。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置１０は、コイルを空間的に互いに９０°位相をずらして配置した１次側の二相巻線と、コイルを空間的に互いに９０°位相をずらして配置した２次側の二相巻線と、１次側のコイルに互いに位相が９０°異なる交流電圧を供給して、二相巻線に進行波を発生させる交流電圧源とを備える。

図１，２において、１次側の二相巻線１は２つのコイル１ａ，１ｂを備え、コイル１ａとコイル１ｂとを空間的に互いに９０°位相をずらして配置し、２次側の二相巻線２は２つのコイル２ａ，２ｂを備え、コイル２ａとコイル２ｂとを空間的に互いに９０°位相をずらして配置する。

ここで、１次側二相巻線と２次側二相巻線をそれぞれ固定子巻線及び可動子巻線とし、固定子巻線に供給した電力によって可動子巻線を移動する場合には、電気機械エネルギー変換装置は駆動機として構成され、他方、可動子巻線の移動によって固定子巻線に電流を流して交流電圧源に電圧を発生させる場合には、電気機械エネルギー変換装置は発電機として構成される。

図１において、Ｌ_ｘは１次側二相巻線１の電気角２π分に相当する距離であり、Ｌ_ｙは１次側二相巻線１と２次側二相巻線２の中心間距離である。図１では、２次側二相巻線２の可動子はｘ方向に運動する。

図２は、１次側二相巻線１において、２つのコイル１ａ（図中の実線で表示する）とコイル１ｂ（図中の破線で表示する）とを空間的に互いに９０°位相をずらして配置した状態を模式的に示している。また、２次側二相巻線２についても、２つのコイル２ａ（図中の実線で表示する）とコイル２ｂ（図中の破線で表示する）とを空間的に互いに９０°位相をずらして配置した状態を模式的に示している。

（二相巻線の等価回路）
図３、４は二相巻線の等価回路を示している。図３は１次側及び２次側に用いる巻線がオープンエンドのコイルである場合の等価回路を示し、図４は１次側及び２次側に用いる巻線がクローズドエンドのコイルである場合の等価回路を示している。なお、以下では空心コイルを仮定した等価回路を示しているが、鉄心コイルの場合についても、インダクタンスに相違があるものの同様に等価回路で扱うことができる。

図３において、オープンエンドのコイルでは、コイルの寄生容量はインダクタンスに直列接続されたモデルで表すことができる。

１次側二相巻線１のコイル１ａの等価回路は、インダクタンスＬ_１とキャパシタンスＣ_１と抵抗分Ｒ_１と交流電圧源Ｖ_１ａの直列回路で表すことができる。同様に、１次側二相巻線１のコイル１ｂの等価回路は、インダクタンスＬ_１とキャパシタンスＣ_１と抵抗分Ｒ_１と交流電圧源Ｖ_１ｂの直列回路で表すことができる。キャパシタンスＣ_１はコイル１ａの寄生容量とする他、別途容量素子を接続する構成としてもよい。

また、２次側二相巻線２の等価回路についても１次側二相巻線１の等価回路で表すことができ、２次側二相巻線２のコイル２ａの等価回路は、インダクタンスＬ_２とキャパシタンスＣ_２と抵抗分Ｒ_２と交流電圧源Ｖ_２ａの直列回路で表すことができ、２次側二相巻線２のコイル２ｂの等価回路は、インダクタンスＬ_２とキャパシタンスＣ_２と抵抗分Ｒ_２と交流電圧源Ｖ_２ｂの直列回路で表すことができる。また、キャパシタンスＣ_２はコイル２ａの寄生容量とする他、別途容量素子を接続する構成としてもよい。

図４において、クローズドエンドのコイルでは、コイルの寄生容量はインダクタンスに並列接続されたモデルで表すことができる。

１次側二相巻線１のコイル１ａの等価回路は、キャパシタンスＣ_１が並列接続されたインダクタンスＬ_１と抵抗分Ｒ_１と交流電圧源Ｖ_１ａの直列回路で表すことができる。同様に、１次側二相巻線１のコイル１ｂの等価回路は、キャパシタンスＣ_１が並列接続されたインダクタンスＬ_１と抵抗分Ｒ_１と交流電圧源Ｖ_１ｂの直列回路で表すことができる。キャパシタンスＣ_１はコイル１ａの寄生容量とする他、別途容量素子を接続する構成としてもよい。

また、２次側二相巻線２の等価回路についても１次側二相巻線１の等価回路で表すことができ、２次側二相巻線２のコイル２ａの等価回路は、キャパシタンスＣ_２が並列接続されたインダクタンスＬ_２と抵抗分Ｒ_２と交流電圧源Ｖ_２ａの直列回路で表すことができ、２次側二相巻線２のコイル２ｂの等価回路は、キャパシタンスＣ_２が並列接続されたインダクタンスＬ_２と抵抗分Ｒ_２と交流電圧源Ｖ_２ｂの直列回路で表すことができる。また、キャパシタンスＣ_２はコイル２ａの寄生容量とする他、別途容量素子を接続する構成としてもよい。

以下、図２に示すオープンエンドの等価回路を用いて説明する。
等価回路において、各巻線間の相互インダクタンスＭ_０を考慮したインダクタンス行列は式（１）で近似することができる。

以下では、１次側二相巻線のコイル１ａ，１ｂを固定子巻線で記述し、２次側二相巻線のコイル２ａ，２ｂを可動子巻線で記述する。

ただし、Ｌ_１は１次側二相巻線のコイル１ａ（固定子巻線）の自己インダクタンスであり、Ｌ_２は２次側二相巻線のコイル２ａ（可動子巻線）の自己インダクタンスであり、Ｍ_０は相互インダクタンスの最大値、θ＝２πｘ／Ｌ_ｘは可動子位置の電気角である。相互インダクタンスは可動子の運動に伴って変化するため、巻線間の結合係数κも変化し、その最大値はκ_０＝Ｍ_０／√（Ｌ_１Ｌ_２）となる。

インダクタンス行列が式（１）で与えられるとき、この等価回路のモデルの回路方程式は以下の式（２）、（３）で与えられる。

ただし、Ｖ，Ｉ，Ｒ，Ｃ，Ｖ_ｃは以下の式（４）〜（８）で表される。

また、可動子のｘ方向の発生力は以下の式（９）で与えられる。

ここで、固定子巻線及び可動子巻線には、それぞれ角周波数ω１，ω２の回転磁界を発生させる以下の式（１０）〜（１３）で表される電流が流れると仮定する。

ただし、Ｉ_１，Ｉ_２はそれぞれの電流の振幅値である。また、δは固定子巻線の電流と可動子巻線の電流の位相差を表している。

ここで、式（１）、（２）〜（８）に式（１０）〜（１３）を代入することで以下の式（１４）〜（１７）で表される電圧Ｖ_１ａ，Ｖ_１ｂ，Ｖ_２ａ，Ｖ_２ｂが得られる。
ただし、可動子の速度はω＝dθ/dｔとしている。

可動子の発生力Ｆは以下の式（１８）で表される。

ここで、通常の誘導機と同様に２次側を短絡し、Ｖ_２ａ＝Ｖ_２ｂ＝０とすると、δ，Ｉ_２，ω，ω_１，ω_２の関係は以下の式（１９）〜（２２）で表される。

式（２２）の関係から、通常の誘導機と同様に可動子巻線にはすべり周波数ω_２の電流が生じる。

また、式（１８）〜（２２）から、可動子の発生力Ｆは以下の式（２３）で表される。

式（２３）から、固定子巻線電流の振幅Ｉ_１によって可動子の発生力Ｆの大きさを制御することができ、駆動周波数ω１の符号によって可動子の発生力Ｆの方向を制御することができることを表している。

式（１９）〜（２２）を用いて、式（１４），（１５）で表される固定子巻線の電圧Ｖ_１ａ，Ｖ_１ｂは以下の式（２４），（２５）で表される。

ただし、Ａ，β，Ｘ_１，Ｘ_２は以下の式（２６）〜（２９）である。

また、式（２３）の可動子の発生力Ｆは以下の式（３０）で表される。

ただし、Ｖ_１＝√（Ｖ_１ａ ^２＋Ｖ_１ｂ ^２）であり、Ｄは式（３１）で表される。

通常の誘導機では、固定子巻線の電源周波数ω１を高くするとすべり周波数ω２も大きくなり、可動子のリアクタンスが増大して２次電流が流れにくくなる。これに対して、本願発明の電気機械エネルギー変換装置によれば、すべり周波数ω_２が共振周波数に近い場合には、大きな２次電流が流れるという特性がある。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置において、例えば共振周波数として数百kＨｚ〜十数ＭＨｚとなるように回路を設計し、１次側の電源周波数ω_１を共振周波数付近に設定すると、可動子の周波数ω（＝dθ/dｔ）は高々十数ｋＨz程度であるので、すべり周波数ω_２は共振周波数付近となる。これによって、すべり周波数ω_２は共振周波数に近くなるため、大きな２次電流を流すことができる。

（共振周波数）
１次側の二相巻線の各相のコイルのインダクタンス、２次側の二相巻線の各相のコイルのインダクタンス、及び１次側と２次側との間の相互インダクタンスは結合共振回路を形成し、共振周波数で共振する。

可動子巻線が運動している場合の共振周波数について説明する。ここでは、Ｒ_１＝Ｒ_２＝０と仮定する。

インダクタンスが０となる条件は、式（２６）で表されるＡにおいてＡ＝０である。この条件は式（３１）で表されるＤにおいてＤ＝０となる条件と同じであり、式（３２）で表される。

式（３２）から、条件式には可動子の電気角θが含まれていないため、共振周波数は可動子の位置に依存しないが、すべり周波数ω_２（＝ω_１−ω）に依存するため、共振周波数は可動子の速度ωに応じて変化する。

ここで、可動子巻線と固定子巻線の相似性から、Ｌ_１＝Ｌ_２＝Ｌ，Ｃ_１＝Ｃ_２＝Ｃとして式（３２）を電源周波数ω_１について解くと４つの解が得られる。解を１次の項までテーラー展開すると、共振周波数ω_１ｒｅｓは以下の式（３３）で得られる。

得られた共振周波数は、周波数のシフト分として可動子の速度ωの1/2の周波数（ω/2）を有している。

（シミュレーション）
以下、本願発明の電気機械エネルギー変換装置のシミュレーションについて説明する。
シミュレーションは、以下の表の条件でJSOL社のJMAG-designer14.0を用いて周波数解析を行っている。

図５，６は可動子の運動方向の発生力及び可動子に働く垂直力を表している。（ａ）〜（ｅ）は可動子と固定子との間のギャップ距離Ｌｙがそれぞれ１０ｍｍ，１５ｍｍ，２０ｍｍ，２５ｍｍ，３０ｍｍの場合を示し、実線は可動子の発生力を示し、破線は固定子の発生力を示している。発生力は２つのピークを持つ。

可動子の運動方向の発生力の２つのピークは共に反発力が発生し、固定子には反作用にによって吸引力が発生する。可動子に働く垂直力は、２つのピークの内、低周波数側で反発力が発生し、高周波数側で吸引力が発生する。

図７は発生力とギャップ距離との関係を示している。図７（ａ）は可動子の運動方向の発生力とギャップ距離との関係を示し、図７（ｂ）は可動子に働く垂直力とギャップ距離との関係を示している。

可動子の運動方向の発生力は、ギャップ距離を広げると、一定距離まで最大発生力は略一定であるが、さらにギャップ距離を広げると発生力は低下する。可動子に働く垂直力はギャップ距離と共に低下する。

以下、本願発明の電気機械エネルギー変換装置の構成例について図８〜図１１を用いて説明する。

（回転駆動の構成）
電気機械エネルギー変換装置１０Ａは、可動子を回転子とし、固定子に対して回転運動する構成例である。

回転駆動を行う構成例について図８を用いて説明する。固定子１Ａは、１次側二相巻線１を回転軸に対して周方向に環状に配置する。可動子２Ａは、２次側二相巻線２を回転軸に対して周方向に環状に配置する。固定子１Ａの１次側二相巻線１と可動子２Ａの２次側二相巻線２を回転軸の同軸状に配置する。固定子１Ａと可動子２Ａの同軸配置において、固定子１Ａの内周に可動子２Ａを配置する構成、あるいは可動子２Ａの内周に固定子１Ａを配置する構成の何れの構成とすることもできる。

（直線駆動の構成）
電気機械エネルギー変換装置１０Ｂは、固定子に対して可動子を直線方向に直動運動する構成例である。

直動駆動を行う構成例について図９（ａ）を用いて説明する。固定子１Ｂの二相巻線と可動子２Ｂの二相巻線において、各二相巻線が持つ各相のコイルを直線状に配置し、固定子１Ｂの二相巻線と可動子２Ｂの二相巻線を直線配置に対して並列して配置する。直線配置によって、可動子２Ｂは固定子１Ｂに対して直線駆動する。

（２つの駆動機構を備える構成）
電気機械エネルギー変換装置は、第１駆動機構と第２駆動機構の２つの駆動機構を備える構成とすることができる。

２つの駆動機構は、それぞれ固定子と可動子のペアを備え、各駆動機構はそれぞれの可動子を固定子に対して駆動する。第１駆動機構及び第２駆動機構をそれぞれ異なる共振周波数で駆動する。第１駆動機構と第２駆動機構とを異なる共振周波数で駆動することによって、各駆動機構を独立して駆動することができる。

第１駆動機構を駆動する共振周波数と第２駆動機構を駆動する共振周波数は、各駆動機構が備えるコイルのインダクタンス及びキャパシタンスで定まるため、インダクタンスやキャパシタンスの設定を変更することによって各駆動機構の共振周波数を異ならせることができる。

１次側共振回路、２次側共振回路、及び１次側と２次側との間の相互インダクタンスからなる結合共振回路は、可動子の速度の周波数だけ異なる２つの共振周波数を備える。ここで、第１駆動機構及び第２駆動機構を同じ構成とした場合には、それぞれ２つの共振周波数を備える。ここで、２つの共振周波数の内、一方の共振周波数で第１駆動機構を駆動し、他方の共振周波数で第２駆動機構を駆動する。第１駆動機構と第２駆動機構とは異なる共振周波数で駆動するため、第１駆動機構と第２駆動機構とはそれぞれ干渉することなく互いに独立して駆動することができる。

２つの駆動機構を備える構成では、２つの可動子を平面上で２次元駆動する構成、可動子を回転子とし、回転子を回転軸の周囲で回転させる回転駆動と、回転子を回転軸の軸方向に直線移動させる直動駆動とを行わせる構成とすることができる。

また、１つの回転子に２つの駆動機構からそれぞれ独立して駆動力を加える構成、２つの回転子を同軸に配置し、各回転子を２つの駆動機構でそれぞれ独立して駆動する構成とすることができる。以下、２次元駆動、回転と直動との組み合わせ駆動、１つの回転子の２つの駆動機構による駆動、２つの回転子の同軸駆動の各構成例について説明する。

（２次元駆動）
電気機械エネルギー変換装置１０Ｃは、固定子に対して可動子を２次元の平面上で運動する構成例である。２次元駆動を行う構成例について図９（ｂ）を用いて説明する。

２次元駆動の電気機械エネルギー変換装置１０Ｃは、第１駆動機構と第２駆動機構を備える。

固定子１Ｃは２つの固定子１Ｃａと固定子１Ｃｂを備え、固定子１Ｃａは二相巻線の各相のコイルを直線状に配置し、固定子１Ｃｂは二相巻線の各相のコイルを直線状に配置すると共に、固定子１Ｃａの二相巻線のコイルの配置方向に対して所定角度で配置する。

可動子２Ｃにおいても２つの可動子２Ｃａと可動子２Ｃｂを備え、可動子２Ｃａは二相巻線の各相のコイルを直線状に配置すると共に、固定子１Ｃａに対して平行に配置する。また、可動子２Ｃｂは二相巻線の各相のコイルを直線状に配置すると共に、固定子１Ｃａに対して並列して配置する。可動子２Ｃｂは、可動子２Ｃａの二相巻線のコイルの配置方向に対して所定角度で配置する。可動子２Ｃｂと可動子２Ｃａの二相巻線のコイルの成す角度が９０°であるときには、可動子２Ｃａと可動子２Ｃｂとは互いに直交する方向に移動する。

固定子１Ｃａと可動子２Ｃａは第１駆動機構を構成し、固定子１Ｃｂと可動子２Ｃｂは第２駆動機構を構成する。

第１駆動機構において、可動子２Ｃａを固定子１Ｃａに対して駆動周波数ωａで直線駆動し、他方、第２駆動機構において、可動子２Ｃｂを固定子１Ｃｂに対して駆動周波数ωｂで直線駆動する。駆動周波数ωａと駆動周波数ωｂとを異ならせることによって、第１駆動機構と第２駆動機構とを独立して駆動することができる。

可動子２Ｃａと可動子２Ｃｂとを接合して構成、あるいは一体構造とすることによって、１つの可動子を２次元の平面上で駆動することができる。

（回転及び直動駆動）
電気機械エネルギー変換装置１０Ｄは、固定子に対して可動子を回転運動と直線運動とを行う構成例である。回転及び直動で駆動を行う構成例について図１０を用いて説明する。

回転及び直動を行う電気機械エネルギー変換装置１０Ｄは、第１駆動機構と第２駆動機構を備える。

第１駆動機構は回転駆動を行う機構であり、固定子１Ｄａと可動子２Ｄａとから構成され、第２駆動機構は直線駆動を行う機構であり、固定子１Ｄｂと可動子２Ｄｂとから構成される。固定子１Ｄａと固定子１Ｄｂは固定子１Ｄを構成し、可動子２Ｄａと可動子２Ｄｂは可動子２Ｄを構成する。

回転用の固定子１Ｄａは二相巻線の各相のコイルを回転軸に対して環状に配置し、直動用の固定子１Ｄｂは回転軸の軸方向に二相巻線の各相のコイルを直線状に配置する。

回転用の固定子１Ｄａは二相巻線の各相のコイルを回転軸に対して環状に配置し、直動用の固定子１Ｄｂは回転軸の軸方向に二相巻線の各相のコイルを直線状に配置する。他方、直動用の可動子２Ｄａは二相巻線の各相のコイルを回転軸に対して環状に配置し、直動用の可動子２Ｄｂは回転軸の軸方向に二相巻線の各相のコイルを直線状に配置する。

回転用の固定子１Ｄａ及び可動子２Ｄａを回転軸に対して同軸状に配置し、直動用の固定子１Ｄｂ及び可動子２Ｄｂを回転軸に対して同軸状に配置する。したがって、固定子１Ｄａ、固定子１Ｄｂ、可動子２Ｄａ、及び可動子２Ｄｂは、回転軸に対して同軸状に配置される。

第１駆動機構において、可動子２Ｄａを固定子１Ｄａに対して駆動周波数ωａで回転駆動し、他方、第２駆動機構において、可動子２Ｄｂを固定子１Ｄｂに対して駆動周波数ωｂで直線駆動する。駆動周波数ωａと駆動周波数ωｂとを異ならせることによって、第１駆動機構と第２駆動機構とを独立して駆動することができる。

それぞれ独立して互いに干渉することなく駆動する第１駆動機構と第２駆動機構によって、可動子（回転子）は固定子に対して回転駆動と直線駆動とを行う。

（１つの回転子を２つの駆動機構で駆動する構成）
電気機械エネルギー変換装置１０Ｅは、可動子を回転子とし、固定子に対して１つの可動子を２つの駆動機構で駆動する構成例である。１つの回転子を２つの駆動機構で駆動する構成例について図１１（ａ）を用いて説明する。

１つの回転子を２つの駆動機構で回転駆動する電気機械エネルギー変換装置１０Ｅは、第１駆動機構と第２駆動機構を備える。

第１駆動機構は回転駆動を行う機構であり、固定子１Ｅａと可動子２Ｅａとから構成され、第２駆動機構は回転駆動を行う機構であり、固定子１Ｅｂと可動子２Ｅｂとから構成される。固定子１Ｅａと固定子１Ｅｂは固定子１Ｅを構成し、可動子２Ｅａと可動子２Ｅｂは可動子２Ｅを構成する。

回転用の固定子１Ｅａ及び固定子１Ｅｂは二相巻線の各相のコイルを回転軸に対して環状に配置し、同じく、回転用の可動子２Ｅａ及び可動子２Ｅｂは二相巻線の各相のコイルを回転軸に対して環状に配置する。

可動子２Ｅａと可動子２Ｅｂとを同軸状に隣接させて配置すると共に、接合した構成あるいは一体構造とする。可動子２Ｅａに対して固定子１Ｅａを回転軸と直交する方向に対向して同軸状に配置し、可動子２Ｅｂに対して固定子１Ｅｂを回転軸と直交する方向に対向して同軸状に配置する。これによって、第１駆動機構と第２駆動機構の固定子を、回転子を挟んで内周及び外周に同軸状に配置し、２つの固定子は回転子に対して同一方向又は逆方向に回転駆動力を加える。

第１駆動機構において、可動子２Ｅａを固定子１Ｅａに対して駆動周波数ωａで回転駆動し、他方、第２駆動機構において、可動子２Ｅｂを固定子１Ｅｂに対して駆動周波数ωｂで直線駆動する。駆動周波数ωａと駆動周波数ωｂとを異ならせることによって、第１駆動機構と第２駆動機構とを独立して駆動することができる。

可動子２Ｅａと可動子２Ｅｂとは結合され、それぞれの固定子１Ｅａ及び固定子１Ｅｂから運動方向の発生力が加えられるため、回転子に対して２つの固定子から同一方向の回転駆動力を加える場合には、回転子の回転駆動力を増加させることができる。一方、回転子に対して２つの固定子から逆方向の回転駆動力を加える場合には、外力によって回転子に何れかの方向に回転力が加えられたときに、回転子の回転を止める力として作用し、回転子の回転を抑制することができる。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置は、２つの共振周波数において運動方向の発生力にピークが生じる。第１駆動構成を駆動する駆動周波数を一方の共振周波数とし、第２駆動構成を駆動する駆動周波数を一方の共振周波数とすることで、第１駆動機構と第２駆動機構とによって、それぞれ独立して互いに干渉することなく駆動することができる。

（２つの回転子を同軸で駆動する構成）
電気機械エネルギー変換装置１０Ｆは、可動子を回転子とし、固定子に対して２つの可動子を同軸で駆動する構成例である。２つの回転子を同軸で駆動する構成例について図１１（ｂ）を用いて説明する。

２つの回転子を同軸で回転駆動する電気機械エネルギー変換装置１０Ｆは、第１駆動機構と第２駆動機構を備える。

第１駆動機構は回転駆動を行う機構であり、固定子１Ｆａと可動子２Ｆａとから構成され、第２駆動機構は回転駆動を行う機構であり、固定子１Ｆｂと可動子２Ｆｂとから構成される。固定子１Ｆａと固定子１Ｆｂは固定子１Ｆを構成し、可動子２Ｆａと可動子２Ｆｂは可動子２Ｆを構成する。

回転用の固定子１Ｆａ及び固定子１Ｆｂは二相巻線の各相のコイルを回転軸に対して環状に配置し、同じく、回転用の可動子２Ｆａ及び可動子２Ｆｂは二相巻線の各相のコイルを回転軸に対して環状に配置する。

固定子１Ｆａと可動子２Ｆｂとを同軸状に配置し、固定子１Ｆｂと可動子２Ｆｂとを同軸状に配置する。

第１駆動機構において、可動子２Ｆａを固定子１Ｆａに対して駆動周波数ωａで回転駆動し、他方、第２駆動機構において、可動子２Ｆｂを固定子１Ｆｂに対して駆動周波数ωｂで直線駆動する。駆動周波数ωａと駆動周波数ωｂとを異ならせることによって、第１駆動機構と第２駆動機構とを独立して駆動することができる。

可動子２Ｆａと可動子２Ｆｂはそれぞれ独立して駆動することができるため、同軸上にある２つの回転子をそれぞれ独立して駆動することができる。

（機械エネルギーから電気エネルギーへの変換）
機械エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械エネルギー変換装置は、１次側の多相巻線を固定子とし、次側の２次側を可動子とし、可動子の多相巻線のコイル間の力学的エネルギーを、固定子の電気エネルギーに変換し、固定子の交流電圧源に電気エネルギーを供給する発電機として構成することができる。

可動子の発生力Ｆと１次側の二相巻線の電圧電源の電圧Ｖ_１との間には式（３０）で示す関係にあるため、可動子を外力によって移動させることによって１次側に電圧を発生させることができる。

電気機械エネルギー変換装置を発電機として構成する際、前記した駆動機構で説明した回転駆動、直線駆動、２次元駆動等と同様に、回転運動、直線運動、２次元運動等の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う構成とすることができる。

なお、本願発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。前記各実施例では二相巻線を例として説明しているが、本願発明の電気機械エネルギー変換装置は二相巻線に限らず、三相巻線などの多相巻線にも適用することができる。

本願発明の電気機械エネルギー変換装置は、回転運動を行う回転機、直線運動を行う直動機等の電気エネルギーを機械エネルギーへの変換機器、発電機等の機械エネルギーを電気エネルギーへの変換機器に適用することができる。

１ １次側二相巻線
１Ａ 固定子
１Ｂ 固定子
１Ｃ 固定子
１Ｃａ 固定子
１Ｃｂ 固定子
１Ｄ 固定子
１Ｄａ 固定子
１Ｄｂ 固定子
１Ｅ 固定子
１Ｅａ 固定子
１Ｅｂ 固定子
１Ｆ 固定子
１Ｆａ 固定子
１Ｆｂ 固定子
１ａ，１ｂ コイル
２ ２次側二相巻線
２Ａ 可動子
２Ｂ 可動子
２Ｃ 可動子
２Ｃａ 可動子
２Ｃｂ 可動子
２Ｄ 可動子
２Ｄａ 可動子
２Ｄｂ 可動子
２Ｅ 可動子
２Ｅａ 可動子
２Ｅｂ 可動子
２Ｆ 可動子
２Ｆａ 可動子
２Ｆｂ 可動子
２ａ，２ｂ コイル
１０ 電気機械エネルギー変換装置
１０Ａ 電気機械エネルギー変換装置
１０Ｂ 電気機械エネルギー変換装置
１０Ｃ 電気機械エネルギー変換装置
１０Ｄ 電気機械エネルギー変換装置
１０Ｅ 電気機械エネルギー変換装置
１０Ｆ 電気機械エネルギー変換装置
Ｃ_１ キャパシタンス
Ｃ_２ キャパシタンス
Ｆ 発生力
Ｌ_１ インダクタンス
Ｌ_２ インダクタンス
Ｌｘ 距離
Ｌｙ ギャップ距離
Ｍ_０ 相互インダクタンス
Ｒ_１ 抵抗分
Ｒ_２ 抵抗分
Ｖ_１ 電圧
Ｖ_１ａ 交流電圧源
Ｖ_１ｂ 交流電圧源
Ｖ_２ａ 交流電圧源
Ｖ_２ｂ 交流電圧源

Claims (12)

1. コイルを空間的に互いに位相をずらして配置した１次側の多相巻線と、
   コイルを空間的に互いに位相をずらして配置した２次側の多相巻線と、
   前記１次側のコイルに互いに位相が異なる交流電圧を供給して、多相巻線に進行波を発生させる交流電圧源とを備え、
   前記１次側の多相巻線の各相のコイルのインダクタンスは、それぞれ共振周波数を同じくする１次側共振回路を形成し、
   前記２次側の多相巻線の各相のコイルのインダクタンスは、それぞれ共振周波数を同じくする２次側共振回路を形成し、
   前記１次側の多相巻線の各相のコイルのインダクタンス、前記２次側の多相巻線の各相のコイルのインダクタンス、及び１次側と２次側との間の相互インダクタンスは、結合共振回路を形成し、
   前記交流電圧源により前記１次側共振回路を１次側共振回路の共振周波数で駆動することで前記１次側の多層巻線に磁界を発生させ、
   前記１次側の多層巻線と磁界共振結合された２次側の多層巻線に誘導起電力を発生させ、
   前記誘導起電力により、前記２次側の多層巻線に前記２次側共振回路の共振周波数の誘導電流を発生させ、
   前記１次側の多層巻線に発生した前記磁界と、前記２次側の多層巻線に発生した誘導電流と、の相互作用により前記一次側の多層巻線と前記二次側の多層巻線との間に力学的エネルギーを発生させる電気機械エネルギー変換装置。
2. 前記１次側の多相巻線を固定子とし、前記２次側の多層巻線を可動子とし、
   前記交流電圧源の電気エネルギーを前記可動子の多相巻線のコイル間の力学的エネルギーに変換し、前記可動子を機械的に駆動させることを特徴する、請求項１に記載の電気機械エネルギー変換装置。
3. 前記固定子の多相巻線と前記可動子の多相巻線において、
   各多相巻線が持つ各相のコイルは、回転軸に対して周方向に環状に配置され、
   前記固定子の多相巻線と前記可動子の多相巻線は、回転軸と同軸状に配置され、
   前記可動子は前記固定子に対して回転駆動することを特徴とする、請求項２に記載の電気機械エネルギー変換装置。
4. 前記固定子の多相巻線と前記可動子の多相巻線において、
   各多相巻線が持つ各相のコイルは、直線状に配置され、
   前記固定子の多相巻線と前記可動子の多相巻線は、前記直線配置に対して並列して配置され、
   前記可動子は前記固定子に対して直線駆動することを特徴とする、請求項２に記載の電気機械エネルギー変換装置。
5. 前記固定子と前記可動子とをペアで備える第１駆動機構と第２駆動機構を備え、
   前記第１駆動機構及び第２駆動機構を異なる共振周波数で駆動し、第１駆動機構と第２駆動機構とを独立して駆動することを特徴とする、請求項２に記載の電気機械エネルギー変換装置。
6. 前記第１駆動機構及び前記第２駆動機構は、
   前記固定子の多相巻線と前記可動子の多相巻線において、
   それぞれ、各多相巻線が持つ各相のコイルは直線状に配置され、前記固定子の多相巻線と前記可動子の多相巻線は前記直線配置に対して並列して配置され、前記可動子は前記固定子に対して直線駆動し、
   第１駆動機構の駆動方向と第２駆動機構の駆動方向とは互いに所定角度を有することを特徴とする、請求項５に記載の電気機械エネルギー変換装置。
7. 前記第１駆動機構及び前記第２駆動機構は、
   前記固定子の多相巻線と前記可動子の多相巻線において、
   各二相巻線が持つ一方の相のコイルは、回転軸に対して周方向に環状に配置され、
   固定子の多相巻線の内で環状に配置された相の巻線と、可動子の多相巻線の内で環状に配置された相の巻線とは、回転軸と直交する方向に同軸状に配置され、
   各多相巻線が持つ他方の相のコイルは、回転軸の方向に直線状に配置され、
   固定子の多相巻線の内で直線に配置された相の巻線と、可動子の多相巻線の内で直線状に配置された相の巻線とは、回転軸と直交する方向に同軸状に配置され、
   前記可動子は前記固定子に対して回転駆動及び直線駆動することを特徴とする、請求項５に記載の電気機械エネルギー変換装置。
8. 前記第１駆動機構及び前記第２駆動機構は、
   各多相巻線が持つ各相のコイルは、回転軸に対して周方向に環状に配置され、
   前記第１駆動機構と前記第２駆動機構の可動子は接合されて１つの可動子とし、
   前記第１駆動機構と前記第２駆動機構の固定子は、前記可動子を挟んで内周及び外周に同軸状に配置され、
   前記２つの固定子は前記可動子に同一方向又は逆方向の回転駆動力を加えることを特徴とする、請求項５に記載の電気機械エネルギー変換装置。
9. 前記第１駆動機構及び前記第２駆動機構は、
   各多相巻線が持つ各相のコイルは、回転軸に対して周方向に環状に配置され、
   前記第１駆動機構と前記第２駆動機構の可動子及び固定子は同軸状に配置され、
   前記２つの可動子は独立に回転駆動することを特徴とする、請求項５に記載の電気機械エネルギー変換装置。
10. 前記１次側の多相巻線を固定子とし、前記２次側の２次側を可動子とし、
    前記可動子の多相巻線と前記固定子の２次巻線の両コイル間で作用する力学的エネルギーを、前記固定子の電気エネルギーに変換し、前記固定子の交流電圧源に電気エネルギーを供給することを特徴する、請求項１に記載の電気機械エネルギー変換装置。
11. 前記１次側の多相巻線及び前記２次側の多相巻線のコイルは、オープンエンド又はクローズドエンドであり、
    前記オープンエンドのコイルは当該コイルに直列接続された電気容量と共に１次側共振回路及び２次側共振回路を形成し、
    前記クローズドエンドのコイルは当該コイルに並列接続された電気容量と共に１次側共振回路及び２次側共振回路を形成することを特徴とする、請求項１から１０の何れか１つに記載の電気機械エネルギー変換装置。
12. 前記多相巻線は二相巻線であることを特徴とする、請求項１から１１の何れか１つに記載の電気機械エネルギー変換装置。