JP6729888B1 - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機のステータを回転させ、このステータの回転力をロータの回転に用いることで高出力が可能な電動機を提供する。【解決手段】この電動機８０ａ、８０ｂはステータ４０を回転させ、ロータ３０の回転時にはステータ４０の回転力をロータ３０の回転に用いる。これにより、従来の電動機よりも高い出力を得ることができる。また、ロータ３０の回転力を運動エネルギーのままステータ４０の回転力として蓄積し、再始動時等にはこのステータ４０の回転力を運動エネルギーのままロータ３０の回転に用いるため、エネルギー損失が少なく、ロータ３０、ステータ４０の運動エネルギーを有効活用することができる。また、ステータ４０が回転する動作領域ではコイル４２にかかる逆起電力Ｋｅもしくは誘導性リアクタンスＸＬを低減する。これにより、損失を抑制し、供給電力を有効利用することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機のステータを回転させ、このステータの回転力をロータの回転に用いることで高出力が可能な電動機に関するものである。

近年、二酸化炭素の排出量削減の観点から内燃機関と電動機を併用するハイブリッド車や電気自動車の普及が顕著である。このようなハイブリッド車や電気自動車は電力により車輪を回転する大出力の電動機（モータ）を駆動源として有している。ここで、本願発明者らはアーク火花の発生を抑制しながら大電流を供給することが可能な下記［特許文献１］、［特許文献２］に記載の電動機に関する発明を行った。

特開第４４３８０２２号公報 特開第４４６０６２９号公報

しかしながら、これら電動機に関しては更なる高効率、高出力が要求されており、より一層の改善が望まれる。本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電動機のステータを回転させ、このステータの回転力をロータの回転に用いることで高出力が可能な電動機の提供を目的とする。

本発明は、
（１）被駆動体Ｍに回転力を伝達する出力軸１０と、
前記出力軸１０を回転可能に軸支する軸受部１２と、
前記出力軸１０に固定したロータ３０と、
前記ロータ３０の外側に位置するステータ４０と、
前記ステータ４０に設けられた複数のコイル４２と、を有し、
前記コイル４２に駆動電流が流下することで前記ロータ３０が回転する電動機において、
前記ステータ４０を前記ロータ３０と同一の方向に回転可能に保持するステータ回転機構４６をさらに有し、
前記ステータ４０を回転させた状態で前記駆動電流を流下することで、前記駆動電流による回転力に前記ステータ４０の回転力を加えて前記ロータを回転させることを特徴とする電動機８０ａ、８０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（２）ステータ４０の回転がロータ３０の制限トルクＴ_０よりも高い場合に、前記制限トルクＴ_０を超えた分、前記ステータ４０のコイル４２が発電し、前記発電により生じた電流が駆動電流の一部を補完して前記駆動電流を減少させることを特徴とする上記（１）記載の電動機８０ａ、８０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（３）ロータ３０とステータ４０の逆回転を防止する逆転防止手段１６、４６ｂを有し、
前記逆転防止手段１６、４６ｂは、軸受部１２と固定したラチェット歯車５０と、前記ロータ３０の側及び前記ステータ４０の側に固定し前記ラチェット歯車５０と噛み合う爪部５２と、を有し、
前記爪部５２は所定の回転速度以上になると前記ラチェット歯車５０から離脱して非接触となることを特徴とする上記（１）に記載の電動機８０ａ、８０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（４）コイル４２に交流の駆動電流が流下するとともに、
ロータ３０に設けられたロータ鉄心３６と、
ステータ４０の回転数からステータ周波数ｆｃを取得するステータ周波数取得手段と、
前記駆動電流の周波数ｆａを制御する制御部と、をさらに有し、
前記制御部は、ステータ周波数ｆｃを加味した上で所定のすべり周波数（ｆｓａ、−ｆｓａ）をとるように周波数ｆａを制御することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の電動機８０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（５）ロータ３０に設けられコイル４２と対向した複数の界磁マグネット３２と、
前記コイル４２と前記界磁マグネット３２の相対位置を取得する位置情報取得手段と、
前記コイル４２への駆動電流の流下方向を制御する制御部と、をさらに有し、
前記界磁マグネット３２は等間隔でかつ隣り合う磁極が逆となるように設けられ、
前記制御部は、前記位置情報取得手段からの前記コイル４２と界磁マグネット３２との相対位置に基づいて前記コイル４２の駆動電流の流下方向をそれぞれ制御することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の電動機８０ａを提供することにより、上記課題を解決する。

本発明に係る電動機は、ロータの減速時等にはロータの回転力によってステータを回転させロータの回転力を運動エネルギーのまま蓄積するとともに、ロータの加速時等にはこのステータの回転力をロータの回転に用いる。これにより、本来の駆動電流による回転力と相まって高い出力を得ることができる。また、回転力を運動エネルギーのままロータ、ステータ間で伝達するためエネルギー損失が少なく、ロータ、ステータの回転力を効率的に活用することができる。さらに、本発明に係る電動機は、ステータの回転速度がロータの回転速度よりも速い動作領域においてコイルにかかる逆起電力もしくは誘導性リアクタンス低減することができ、この動作領域における損失を抑制することができる。またさらに、ステータの回転力に余剰のトルクが有る場合、その余剰のトルクに相当する分コイルが発電し、駆動電流の出力を減少させることが可能となる。これにより、更なる高効率化、省エネルギー化を図ることができる。

本発明に係る第１の形態の電動機の模式的な断面図である。 本発明に係る第２の形態の電動機の模式的な断面図である。 本発明に好適な逆転防止手段を示す図である。 本発明に係る電動機のＮ−Ｔ線図及び回転速度の変化を模式的に示した図である。 第１の形態の電動機の制御を説明する図である。 すべり周波数と電磁トルクの関係を示すグラフである。

本発明に係る電動機の実施の形態について図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る第１の形態の電動機８０ａの模式的な断面図である。また、図２は本発明に係る第２の形態の電動機８０ｂの模式的な断面図である。

先ず、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂに共通する構成を説明する。図１、図２に示す本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂは、被駆動体Ｍに回転力を伝達する出力軸１０と、この出力軸１０に固定したロータ３０と、このロータ３０の外側に位置するステータ４０と、このステータ４０をロータ３０と同一の方向に回転可能に保持するステータ回転機構４６と、を有している。尚、被駆動体Ｍは本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂを電気自動車等の車両に適用する場合には、車輪もしくは車輪を回転させる減速機構等である。

そして、ロータ３０（出力軸１０）は軸受部１２によって回転可能に軸支されるとともに、ロータ３０（出力軸１０）と軸受部１２との間には逆転防止手段１６が設けられ、ロータ３０の逆方向への回転を規制するとともに、例えば被駆動体Ｍの停止時等においてはロータ３０と軸受部１２とを固定して、ロータ３０の回転を防止する。また、ステータ４０を保持するステータ回転機構４６は、ステータ４０をロータ３０に対し回転可能に軸支する周知のベアリング等の軸受部４６ａと、ステータ４０がロータ３０の回転方向とは逆の方向へ回転することを規制する逆転防止手段４６ｂと、で主に構成されている。また、ステータ４０と軸受部１２との間にはスリップリングや導電ブラシ等の周知の回転導電手段１４が設けられ、後述のコイル４２等はこの回転体導電手段１４を介して電源部から電力供給を受ける。

逆転防止手段１６、４６ｂとしてはワンウェイクラッチや電磁クラッチ等の周知の部材を用いても良いが、図３に示すような機構を用いることが特に好ましい。ここで、図３（ａ）は本発明に好適な逆転防止手段１６、４６ｂを横方向から見た模式図であり、図３（ｂ）は逆転防止手段１６、４６ｂの低速回転時の状態を軸方向から見た模式図であり、図３（ｃ）は逆転防止手段１６、４６ｂの高速回転時の状態を軸方向から見た模式図である。

ロータ３０に対する好適な逆転防止手段１６は、図３に示すように、軸受部１２と固定したラチェット歯車５０と、出力軸１０に固定することでロータ３０の側と固定した爪部５２と、この爪部５２を回動可能に軸支する回転軸５４と、爪部５２をラチェット歯車５０の側に付勢するスプリング等の周知の弾性部材５６と、を有している。また、ステータ４０に対する好適な逆転防止手段４６ｂは、軸受部１２と固定したラチェット歯車５０と、ステータ４０の側と固定した爪部５２と、この爪部５２を回動可能に軸支する回転軸５４と、爪部５２をラチェット歯車５０の側に付勢する周知の弾性部材５６と、を有している。尚、図３では爪部５２が６個の例を示しているが、爪部５２の数に特に限定は無い。

そして、逆転防止手段１６、４６ｂは、ロータ３０、ステータ４０が軸受部１２（ラチェット歯車５０）に対し順方向（図３（ｂ）、（ｃ）における時計回りの方向）に回転するような力が掛った場合、爪部５２はラチェット歯車５０上を滑って回転する。これにより、逆転防止手段１６、４６ｂはロータ３０、ステータ４０の順方向の回転を許容する。また、ロータ３０、ステータ４０が軸受部１２に対し逆方向（図３（ｂ）、（ｃ）における反時計回りの方向）に回転するような力が掛った場合、爪部５２はラチェット歯車５０と噛み合ってこれを阻止し、これにより逆転防止手段１６、４６ｂはロータ３０、ステータ４０の逆回転を防止する。そして、特に本発明に好適な逆転防止手段１６、４６ｂは、、ロータ３０、ステータ４０が所定の回転速度以上の高速回転となると爪部５２が遠心力により外側に回動するよう弾性部材５６の弾性力を最適化する。この構成ではロータ３０、ステータ４０の高速回転時には、図３（ｃ）に示すように爪部５２が回動してラチェット歯車５０から離脱し、互いに非接触となる。これにより、摩擦抵抗や振動が低減し損失の軽減を図ることができる。また、逆転防止手段１６、４６ｂの摩耗や負荷が軽減し、逆転防止手段１６、４６ｂの長寿命化を図ることができる。

次に、本発明に係る第１の形態の電動機８０ａの構成に関して説明する。図１に示す第１の形態の電動機８０ａは、ステータ４０側に電機子として機能する複数のコイル４２を有し、ロータ３０側に界磁部としての界磁マグネット３２を複数有している。尚、本発明では後述するようにステータ４０の回転力Ｋｉをロータ３０の回転に変換する。そして、このときのステータ４０の回転力Ｋｉはステータ４０の慣性モーメントに応じて大きくなる。従って、より大きな回転力Ｋｉを得るためにはステータ４０の重量を重くし、慣性モーメントを大きくすることが効果的である。よって、第１の形態の電動機８０ａでは重量のあるコイル４２をステータ４０側に設けて、慣性モーメントの向上を図ることが好ましい。

そして、ステータ４０のコイル４２は巻芯に磁心を備えており、周方向に一定の間隔をあけて複数、例えば３６個配置される。また、電動機８０ａのロータ３０には、ステータ４０側のコイル４２を挟むように２つのロータ円板３４が固定され、このロータ円板３４の内側に複数の界磁マグネット３２がステータ４０側のコイル４２の磁心と対向するように等間隔で固定される。尚、この界磁マグネット３２はコイル４２に対する界磁束を形成してロータ３０を回転させるための永久磁石であり、周方向に沿って隣り合う磁極が逆となるように、即ちＮ極とＳ極が交互に現れるように配設されている。また、界磁マグネット３２としては金属磁石を用いても焼結磁石を用いても良いが、中でも大きな磁力を有するネオジム磁石等の希土類磁石を用いることが特に好ましい。尚、コイル４２が３６個の場合、界磁マグネット３２は例えばコイル４２を挟むように６対設けられる。

また、電動機８０ａにはコイル４２に対する界磁マグネット３２の相対位置を取得する位置情報取得手段１８と、出力軸１０（ロータ３０）の回転数が入力するとともに位置情報取得手段１８からの位置情報に基づいてコイル４２への駆動電流の流下方向を制御する図示しない制御部と、が設けられる。尚、位置情報取得手段１８には特に限定は無く、周知の位置センサーやレゾルバ式角度測定器等の周知の磁気式位置検出器、周知の光学式位置検出器など如何なるものを用いても良い。

また、位置情報取得手段１８は直接的に相対位置を取得するものの他に、コイル４２の絶対位置を取得するコイル位置情報取得手段と界磁マグネット３２の絶対位置を取得する磁石位置情報取得手段とを個別に設け、各コイル位置情報取得手段の出力を制御部（ＣＰＵ）の例えばｐｏｒｔ−１にそれぞれ接続し、また各磁石位置情報取得手段の出力を例えばｐｏｒｔ−２にそれぞれ接続し、制御部がｐｏｒｔ−１の入力信号からコイル４２の絶対位置を取得するとともにｐｏｒｔ−２の入力信号から界磁マグネット３２の絶対位置を取得し、これらコイル４２の絶対位置と界磁マグネット３２の絶対位置とから両者の相対位置を算出するようにしても良い。

尚、図１では位置情報取得手段１８として、ロータ３０とともに回転し所定の位置に開口が形成されたスリット板１８ａと、ステータ４０と固定しスリット板１８ａの開口を挟んで設置された発光素子１８ｂ、受光素子１８ｂ’と、を有する光学式の位置検出手段を用いた例を示している。そして、この位置情報取得手段１８では、ロータ３０、ステータ４０が回転動作して、スリット板１８ａの開口が発光素子１８ｂ、受光素子１８ｂ’の間に位置すると発光素子１８ｂの光がスリット板１８ａの開口を通して受光素子１８ｂ’に到達し、受光素子１８ｂ’は所定の受光信号を後述の制御部等に出力する。また、スリット板１８ａの開口が発光素子１８ｂ、受光素子１８ｂ’の間からずれると、発光素子１８ｂの光はスリット板１８ａにて遮蔽され受光素子１８ｂ’には到達せず、受光信号は出力されない。そして、このスリット板１８ａの開口の位置を最適化することで、制御部は入力する受光信号に基づいてコイル４２と界磁マグネット３２との相対位置を取得することができる。そして、制御部はステータ４０（コイル４２）に対するロータ３０（界磁マグネット３２）の相対位置と、出力軸１０（ロータ３０）の回転数に基づいて、上位の制御装置等から要求された回転動作を行うよう各コイル４２に流下する駆動電流の電流値および流下方向を制御する。

次に、本発明に係る第２の形態の電動機８０ｂの構成に関して説明する。先ず、電動機８０ｂのロータ３０は例えば電磁鋼板を円筒状に貼り合せたロータ鉄心３６を有している。そして、ロータ鉄心３６と対向したステータ４０の内側には磁心を備えた複数のコイル４２が、磁心がロータ鉄心３６側を向くように設置されている。そして、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流の電動機８０ｂの場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応したコイル４２が順に配置され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流がそれぞれのコイル４２に順に流下することで、コイル４２によって形成される磁界が回転する。そして、この回転磁界によってロータ鉄心３６に渦電流が流下してローレンツ力が働きロータ３０が回転する。

また、第２の形態の電動機８０ｂは、ステータ４０の回転数と対応したステータ周波数ｆｃを算出もしくはデータテーブル等から選択して取得するステータ周波数取得手段と、各コイル４２に流下させる駆動電流の周波数ｆａを制御する制御部と、を有している。尚、ステータ周波数ｆｃとはステータ４０の回転と同じ回転数の回転磁界をステータ４０（を停止した状態で）生じさせるのに要する駆動電流の周波数を意味する。そして、制御部はこのステータ周波数ｆｃを加味した上で、ロータ３０に対する回転磁界が所定のすべり周波数ｆｓとなるように周波数ｆａを制御する。

次に、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂの特徴的な動作を図４を用いて説明する。ここで、図４（ａ）は横軸を出力軸１０の回転数Ｎ、縦軸を出力軸１０のトルクＴとした模式的なＮ−Ｔ線図であり、図４（ｂ）はロータ３０、ステータ４０の回転速度の変化を説明するためにこれらの変化を直線で模式的に示した図である。尚、図４（ａ）ではロータ３０の上限のトルクをトルクＴ_０で制限する構成を示している。この場合、出力軸１０のトルクＴが制限トルクＴ_０を超えた図４（ａ）中の破線の領域では、後述のように余剰のトルクによりコイル４２が発電し駆動電流の一部として補完される。これにより、駆動電流の出力を減少することが可能となり、省エネルギー化を図ることができる。

先ず、第１の形態の電動機８０ａの電源がオフの状態においては、電動機８０ａのロータ３０、ステータ４０はともに停止状態にある（図４（ｂ）中の点０）。次に、電動機８０ａを起動させると、制御部は逆転防止手段１６によってロータ３０の逆回転を阻止した状態でコイル４２に対し逆回転方向の電流を印加する。これにより、ロータ３０には逆回転方向に力が働くが、前述のようにロータ３０の逆回転は阻止されているから、このロータ３０に生じる力は反力となってステータ４０に働き、これによりステータ４０は順方向に回転する。そして、ステータ４０が所定の回転速度となった時点（図４（ｂ）の破線中の点Ａ）で、例えばアクセルを踏むなどの出力軸１０への出力要求を行うと、制御部はロータ３０の固定を解除するとともにロータ３０が順方向に回転するような駆動電流をコイル４２に流下する。これにより、ロータ３０とステータ４０とは磁気的に結合し、ロータ３０はステータ４０の物理的な回転力と駆動電流とによって同一の方向（順方向）に回転を開始する。

ここで、電動機８０ａの制御部による駆動電流の流下方向の制御の一例を説明する。尚、ここでは図５に示すように、９個（図５中のコイルＣＬ１〜ＣＬ９）のコイル４２と６個（図５中の界磁マグネットＰＭ１〜ＰＭ６）の界磁マグネット３２を有する電動機８０ａを用いて説明を行う。この場合、界磁マグネットＰＭ１〜ＰＭ６は互いに６０°の角度で等間隔で且つ隣り合う磁極が逆となるように設けられる。また、図５に示す面と逆側の面は全て極性が逆となる。尚、図５では説明の都合上、コイルＣＬ１〜ＣＬ９（ステータ４０）を回転させずに図示しているが、実際はステータ４０もロータ３０と同じ順方向に回転している。

そして、上記の電動機８０ａの制御部は位置情報取得手段から取得したコイル４２と界磁マグネット３２との相対位置の情報から、例えば図５（ａ）に示す状態、即ち（コイル４２側の）磁極がＮ極の界磁マグネットＰＭ１、ＰＭ３、ＰＭ５とコイルＣＬ１、ＣＬ４、ＣＬ７とがそれぞれ一致した状態となったとき、制御部はコイルＣＬ１、ＣＬ４、ＣＬ７の（界磁マグネットＰＭ１、ＰＭ３、ＰＭ５側の）磁極をＳ極からＮ極となるように駆動連流の流下方向を切り替える。これにより、界磁マグネットＰＭ１、ＰＭ３、ＰＭ５とコイルＣＬ１、ＣＬ４、ＣＬ７との間には斥力が生じる。またこのとき、対向磁極がＳ極の界磁マグネットＰＭ２、ＰＭ４、ＰＭ６の順方向（図５中の時計回りの方向）に位置するコイルＣＬ３、ＣＬ６、ＣＬ９は磁極がＮ極であり、逆方向（図５中の反時計回りの方向）に位置するコイルＣＬ２、ＣＬ５、ＣＬ８は磁極がＳ極であるから、界磁マグネットＰＭ２、ＰＭ４、ＰＭ６は異極のコイルＣＬ３、ＣＬ６、ＣＬ９と引き合って、ロータ３０はステータ４０に対して順方向に回転する。そして、図５（ｂ）に示すようにＳ極の界磁マグネットＰＭ２、ＰＭ４、ＰＭ６がコイルＣＬ３、ＣＬ６、ＣＬ９と一致した位置まで回転すると、制御部はこれを位置情報取得手段を介して検知し、コイルＣＬ３、ＣＬ６、ＣＬ９の磁極をＮ極からＳ極になるように駆動連流の流下方向を切り替える。これにより、界磁マグネットＰＭ２、ＰＭ４、ＰＭ６とコイルＣＬ３、ＣＬ６、ＣＬ９との間には斥力が生じる。またこのとき、Ｎ極の界磁マグネットＰＭ１、ＰＭ３、ＰＭ５の順方向に位置するコイルＣＬ２、ＣＬ５、ＣＬ８は磁極がＳ極であり、逆方向に位置するコイルＣＬ１、ＣＬ４、ＣＬ７は磁極がＮ極であるから、界磁マグネットＰＭ１、ＰＭ３、ＰＭ５は異極のコイルＣＬ２、ＣＬ５、ＣＬ８と引き合って、ロータ３０はステータ４０に対して順方向に回転する。そして、図５（ｃ）〜（ｆ）に示すように、制御部はコイル４２と界磁マグネット３２との相対位置に応じて各コイル４２に流す駆動電流の流下方向を制御してコイル４２の磁極を変化させ、これによりロータ３０を順方向に回転させる。尚、駆動電流の電流値に関しては、出力軸１０に要求される回転速度及びトルクに基づいて制御部が適宜設定する。

これにより、ロータ３０は図４（ａ）の駆動電流の供給電力Ｋｗに応じたトルクＴｗで回転動作する。また、前述のようにロータ３０はステータ４０の回転力によっても回転するから、ロータ３０は図４（ａ）の点Ａに示すように、駆動電流の供給電力Ｋｗで生じるトルクＴｗに加えて、ステータ４０の回転力Ｋｉによって生じるトルクが合わさったトルクＴ_０で回転動作する。尚、前述のように図４（ａ）ではロータ３０のトルクがトルクＴ_０に制限される。この場合、ロータ３０の回転開始時はステータ４０の回転力Ｋｉが主となってロータ３０を回転させる。この際、ステータ４０の回転力に余剰のトルクが有る場合、その余剰のトルクに相当する分コイル４２が発電する。このとき（速度が増加する）ロータ３０側から見た（速度が遅くなる）ステータ４０の相対的な回転方向は逆となり、また磁界方向は同じであるから、フレミングの右手、左手の法則から発電電流と駆動電流との流下方向は同方向となる。従って、コイル４２による発電電流は駆動電流に合成され、駆動電流の一部として補完される。そして、その分、駆動電流の出力が減少し電源からの供給電力を低減することができる。

また、第２の形態の電動機８０ｂでは、ロータ３０、ステータ４０がともに停止状態あるときに電動機８０ｂを起動させると、制御部はロータ３０の逆回転を阻止した状態でコイル４２に対し逆回転方向のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流をそれぞれ印加する。これにより、ロータ３０には逆回転方向に力が働くが、前述のようにロータ３０の逆回転は阻止されているから、このロータ３０に生じる力は反力となってステータ４０に働き、これによりステータ４０は順方向に回転する。このとき、ステータ周波数取得手段はこのステータ４０の回転数に応じたステータ周波数ｆｃを取得して制御部に出力する。そして、ステータ４０が所定の回転速度となった時点（図４（ｂ）の破線中の点Ａ）で、例えばアクセルを踏むなどの出力軸１０への出力要求を行うと、制御部はロータ３０の固定を解除するとともにロータ３０が順方向に回転するようなＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流の駆動電流を対応するコイル４２に流下する。この際、制御部はステータ周波数取得手段から取得したステータ周波数ｆｃを加味した上で所定のすべり周波数ｆｓをとるようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電流の周波数ｆａを制御する。尚、すべり周波数ｆｓとは、ロータ３０の回転数から得られるロータ周波数ｆｎとロータ３０に印加される回転磁界周波数ｆｍとの差であり、
ｆｓ＝ｆｍ−ｆｎ である。
また、電動機８０ｂにおける回転磁界周波数ｆｍはステータ４０の回転によるステータ周波数ｆｃと駆動電流の周波数ｆａとが合わさった
ｆｍ＝ｆｃ＋ｆａ となる。

ここで、すべり周波数ｆｓと電磁トルクＴｍの関係を図６に示す。図６に示すように、電磁トルクＴｍの絶対値はすべり周波数ｆｓが特定の周波数ｆｓａ、−ｆｓａのときに正負のピークをとり、その後は力率の低下により減少する。そして、第２の形態の電動機８０ｂでは、ロータ３０の加速時にはステータ周波数ｆｃを考慮した上ですべり周波数ｆｓが周波数ｆｓａとなるように周波数ｆａを制御する。また、ロータ３０の減速時にはステータ周波数ｆｃを考慮した上ですべり周波数ｆｓが周波数−ｆｓａとなるように周波数ｆａを制御する。尚、すべり周波数ｆｓａ、−ｆｓａにおけるすべり率ｓ（ｓ＝ｆｓａ／ｆｍ）の値は、通常０．３±０．０５程度をとる。

ここで例えば、ステータ４０が回転速度Ｎｃ’（ステータ周波数ｆｃ）で順方向に高速回転している状態でロータ３０とステータ４０とを磁気結合する場合、制御部は回転磁界がステータ４０の回転と逆回転となる周波数ｆａ＝ｆｎ＋ｆｓａ-ｆｃの駆動電流を印加する。これにより、ステータ４０は回転速度Ｎｃ’で回転しながらロータ３０に対してすべり周波数ｆｓａとなるような回転磁界を生成する。これにより、ロータ３０は電磁トルクＴｍが最大の回転磁界によって回転する。また、制御部はこれと同時に電動機８０ｂの動作を阻害しない程度の直流電流を駆動電流に重畳して流下する。これにより、ロータ３０とステータ４０とは磁気的に結合し、ロータ３０はステータ４０の物理的な回転力によっても同一の方向（順方向）に回転する。即ち、ロータ３０は前述の電動機８０ａと同様に駆動電流の供給電力Ｋｗで生じるトルクＴｗ（＝電磁トルクＴｍ）に加えて、ステータ４０の回転力Ｋｉによって生じるトルクが合わさったトルクＴ_０で回転動作する。無論、制御部はロータ３０、ステータ４０の回転速度の変化に応じて周波数ｆａを変化させすべり周波数ｆｓａを維持する。

この際、ステータ４０の回転力に余剰のトルクが有る場合、その余剰のトルクに相当する分コイル４２が発電する。このとき、第１の形態の電動機８０ａと同様に（速度が増加する）ロータ３０側から見た（速度が遅くなる）ステータ４０の相対的な回転方向は逆となり磁界方向が同じとなるから、フレミングの右手、左手の法則から発電電流と駆動電流との流下方向は同方向となり、また、発電電流の周波数はステータ４０の回転数に準じ駆動電流と同等となるから、この発電電流は駆動電流に合成され、駆動電流の一部として補完される。これにより、駆動電流の出力を減少させることが可能となり電源からの供給電力を低減することができる。

このようにして、第１の形態及び第２の形態の電動機８０ａ、８０ｂのロータ３０はステータ４０の回転力と駆動電流とによるトルクＴ_０とで回転を開始する。ここで、トルクＴ_０で制限しない場合の回転力Ｋｉによる仮想的なトルクを図４（ａ）中のトルクＴ’として示すと、このトルクＴ’はロータ３０の回転に伴って減少し、その分、ステータ４０側からの駆動電流の補填量も減少する。また、ステータ４０の回転力Ｋｉがロータ３０の回転に用いられることで、図４（ｂ）中の破線で示すステータ４０の回転速度Ｎｍは減少し、図４（ｂ）中の実線で示すロータ３０の回転速度Ｎｃは増加する。そして、ある点Ｂにおいてステータ４０の回転速度Ｎｍとロータ３０の回転速度Ｎｃとが等しくなり、その後はロータ３０の回転速度Ｎｃがステータ４０の回転速度Ｎｍよりも速くなる。尚、図４（ａ）ではＮｍ＝Ｎｃとなる点ＢがトルクＴ_０となる例を図示している。

ここで、ステータが回転しない従来の電動機はロータの回転に伴って直ちに逆起電力Ｋｅが生じ、この逆起電力Ｋｅは下記式Ａに示すようにロータの出力Ｎｃ・Ｔを減少させる。
Ｎｃ・Ｔ＝Ｋｗ−Ｋｅ ・・・式Ａ
Ｎｃ：出力軸（ロータ）回転数
Ｔ ：出力軸トルク
Ｋｗ：供給電力
Ｋｅ：逆起電力
また、この逆起電力Ｋｅは下記式Ｂで表される。
Ｋｅ＝Ｂ・Ｌ・ｒ・ω ・・・式Ｂ
Ｂ：磁界の強さ
Ｌ：コイルの長さ
ｒ：回転半径
ω：（ステータに対する）ロータの角速度
この式Ｂで示されるように、逆起電力Ｋｅはロータのステータに対する角速度ωが増加するにつれ増大し、これによって式Ａに示す出力Ｎｃ・Ｔは減少し損失が増大する。従って、ステータが固定した従来の電動機では所定の出力Ｎｃ・Ｔを維持するために逆起電力Ｋｅによる損失分を埋める大きな供給電力Ｋｗを必要とする。

しかしながら、本発明に係る第１の形態の電動機８０ａではステータ４０の回転速度Ｎｍがロータ３０の回転速度Ｎｃよりも速いＮｍ＞Ｎｃの領域（図４（ｂ）中の点Ａ−点Ｂ間の領域）では、ステータ４０に対するロータ３０の角速度ωは負となり、逆起電力Ｋｅは駆動電流を補填する電流を流下させる。これにより、さらに電源からの供給電力を低減することができる。

そして、本発明に係る第１の形態の電動機８０ａはステータ４０の回転速度Ｎｍがロータ３０の回転速度Ｎｃと等しくなるＮｍ＝Ｎｃ（図４（ｂ）中の点Ｂ）まで逆起電力Ｋｅは発生せず、供給電力Ｋｗを全てロータ３０の出力Ｎｃ・Ｔに用いることができる。そして、ロータ３０の回転速度Ｎｃがステータ４０の回転速度Ｎｍよりも速くなったＮｃ＞Ｎｍの時点で逆起電力Ｋｅが生じ、ここで初めて出力Ｎｃ・Ｔに対する損失が発生する。即ち、ステータが回転しない従来の電動機ではロータの回転開始直後から逆起電力Ｋｅによる損失が生じるのに対し、本発明に係る電動機８０ａではロータ３０の回転速度Ｎｃがステータ４０の回転速度Ｎｍを超えるまで逆起電力Ｋｅによる損失は生じない。このため、ロータ３０の回転初期の高トルクが必要な領域で供給電力Ｋｗを増加させることなく、出力Ｎｃ・Ｔを維持することができる。

そして、さらにロータ３０の回転速度Ｎｃが増大するとステータ４０の回転速度Ｎｍが減少し、ステータ４０は最終的に停止する（図４（ｂ）中の点Ｃ）。このステータ４０が停止するまでのＮｃ＞Ｎｍ＞０の領域（図４（ｂ）中の点Ｂ−点Ｃ間の領域）では、逆起電力Ｋｅによる損失は生じるもののステータ４０は依然回転状態にあるため、逆起電力Ｋｅはステータ４０の回転速度Ｎｍの分だけ小さな値となり、ステータが回転しない従来の電動機と比較して発生する逆起電力Ｋｅは小さく損失は少ない。そして、第１の形態の電動機８０ａはステータ４０が停止した図４（ｂ）中の点Ｃ以降において従来の電動機と同等の挙動を示す。

このように、本発明に係る第１の形態の電動機８０ａはステータ４０の回転力Ｋｉをロータ３０の回転に用いるため、従来の供給電力Ｋｗのみによって生じるトルクＴｗよりも高いトルクＴ_０で回転動作させることができる。ここで、トルクＴ_０をトルクＴｗの２倍としたときに、ステータ４０の回転速度Ｎｍがロータ３０の回転速度Ｎｃと等しいＮｍ＝Ｎｃ点では、ステータが回転せず供給電力Ｋｗのみで回転し逆起電力Ｋｅによる損失が生じる従来の電動機と比較して、計算上４倍の出力Ｎ・Ｔを得ることができる。

また、第２の形態の電動機８０ｂに関し、従来の３相交流の電動機の場合はコイルに駆動電流（電圧）とは逆向きの自己誘導起電力が生じ、このときの誘導性リアクタンスＸ_Ｌは下記式Ｃで表される。
Ｘ_Ｌ＝２π・ｆ・Ｌｃ ・・・式Ｃ
Ｌｃ：コイルのインダクタンス
ｆ：印加電圧周波数
ここで、ｆ＝ω／（２π）
ω：（ステータに対する）ロータの角速度
そして、この誘導性リアクタンスＸ_Ｌが増大するにつれ損失が増加し、逆起電力Ｋｅと同様に出力Ｎｃ・Ｔを減少させる。

しかしながら、本発明に係る第２の形態の電動機８０ｂではロータ３０の回転開始時はステータ４０の回転力Ｋｉが主となってロータ３０を回転させるとともに、その後はステータ４０が停止するまでステータ周波数ｆｃが加味されて印加周波数ｆ（周波数ｆａ）が制御されるため、ステータが回転しない従来の電動機と比較してωが小さく、印加周波数ｆ（周波数ｆａ）を下げることが可能となる。これにより、誘導性リアクタンスＸ_Ｌを低く抑えることが可能となり、損失の抑制を図ることができる。

次に、電動機８０ａ、８０ｂのロータ３０が回転しステータ４０が停止した状態で、例えばブレーキを踏むなどの出力軸１０（ロータ３０）の回転を減速させる要求がなされると、制御部は例えばロータ３０の回転を減速させるような駆動電流をコイル４２に流下する。

これにより、ロータ３０の回転速度が減少すると同時にロータ３０とステータ４０間には反力が生じ、この反力はステータ４０を順方向に回転させる。これにより、ロータ３０の回転力はステータ４０の回転に変換され蓄積される。そして、再度、アクセルを踏むなどの出力軸１０への順方向回転への出力要求が行われると、先の動作と同様にしてステータ４０の回転力Ｋｉがロータ３０を回転するように働く。

ここで、ステータが回転しない従来の電動機を備えた電気自動車等では、この制動時等のトルクで発電を行い電力としてバッテリ等に蓄積する。そして、再始動時（出力軸１０への順方向回転への出力要求時）に供給電力として使用される。しかしながら、この運動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率は低くエネルギー損失が大きい。これに対し、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂはロータ３０の回転力を運動エネルギーのままステータ４０の回転力として蓄積し、再始動時にはステータ４０の回転力を運動エネルギーのままロータ３０の回転力として使用する。このため、エネルギー損失が低く、ロータ３０、ステータ４０の運動エネルギーを最大限に有効活用することができる。

また、特に第２の形態の電動機８０ｂでは、ロータ３０の減速時においても（徐々に回転数が上がる）ステータ４０のステータ周波数ｆｃを加味した上で、逆方向に最大の電磁トルクが生じるすべり周波数−ｆｓａをとるようにロータ３０への駆動電流の周波数ｆａを制御する。例えば、ロータ３０が回転数Ｎｎ’（ロータ周波数ｆｎ）で順方向に高速回転している状態でロータ３０とステータ４０とを磁気結合する場合、制御部はロータ３０に対してすべり周波数が−ｆｓａとなるような（ロータ３０の回転方向とは逆方向の）回転磁界を生成する周波数ｆａの駆動電流を印加する。また、制御部はこれと同時に電動機８０ｂの動作を阻害しない程度の直流電流を駆動電流に重畳して流下する。これにより、ステータ４０は電磁トルクＴｍが逆方向に最大のすべり周波数−ｆｓａの回転磁界によってロータ３０と磁気的に結合し徐々に回転速度が増加する。また、このステータ４０の回転速度の増加に伴ってロータ３０の回転速度は徐々に減少する。そして、制御部はロータ３０、ステータ４０の回転速度の変化に応じて周波数ｆａを変化させすべり周波数−ｆｓａを維持する。これにより、ロータ３０の回転力を高効率でステータ４０の回転に変換することができる。

以上のように、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂはステータ４０を回転させ、ロータ３０の回転時にはステータ４０の回転力Ｋｉをロータ３０の回転に用いる。これにより、従来の電動機よりも高い出力Ｎｃ・Ｔを得ることができる。また、ステータ４０が回転する動作領域ではコイル４２にかかる逆起電力Ｋｅもしくは誘導性リアクタンスＸ_Ｌを０もしくは低減することができる。これにより、この動作領域における損失を抑制し、供給電力を有効利用することができる。

また、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂは、制動時等にはロータ３０の回転力を運動エネルギーのままステータ４０の回転力として蓄積し、再始動時等にはこのステータ４０の回転力を運動エネルギーのままロータ３０の回転に用いる。このため、エネルギー損失が少なく、ロータ３０、ステータ４０の運動エネルギーを最大限に有効活用することができる。

さらに、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂは、ステータ４０の回転力に余剰のトルクが有る場合、その余剰のトルクに相当する分コイル４２が発電し、この発電電力を駆動電流の一部として補完する。これにより、駆動電流の出力を減少させることが可能となり、更なる高効率化、省エネルギー化を図ることができる。さらに、第２の形態の電動機８０ｂでは、ロータ３０を最適なすべり周波数ｆｓａ、−ｆａｓで回転させるため無用な発熱を抑制することが可能となり、冷却装置等の負荷の軽減をも図ることができる。

尚、本例で示した電動機８０ａ、８０ｂ、ロータ３０、ステータ４０、ステータ回転機構４６、逆転防止手段１６、４６ｂ等の各構成は一例であり、各部の形状、寸法、機構、デザイン、コイル４２や界磁マグネット３２の個数等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施することが可能である。

１０ 出力軸
１２ 軸受部
３０ ロータ
３２ 界磁マグネット
３６ ロータ鉄心
１６、４６ｂ 逆転防止手段
４０ ステータ
４２ コイル
４６ ステータ回転機構
５０ ラチェット歯車
５２ 爪部
８０ａ、８０ｂ 電動機
Ｍ 被駆動体

Claims (5)

1. 被駆動体に回転力を伝達する出力軸と、
   前記出力軸を回転可能に軸支する軸受部と、
   前記出力軸に固定したロータと、
   前記ロータの外側に位置するステータと、
   前記ステータに設けられた複数のコイルと、を有し、
   前記コイルに駆動電流が流下することで前記ロータが回転する電動機において、
   前記ステータを前記ロータと同一の方向に回転可能に保持するステータ回転機構をさらに有し、
   前記ロータの回転が減速する際に前記ロータの回転力を前記ステータの回転に変換し、
   前記ステータを回転させた状態で前記駆動電流を流下することで、前記駆動電流による回転力に前記ステータの回転力を加えて前記ロータを回転させることを特徴とする電動機。
2. ステータの回転がロータの制限トルクよりも高い場合に、前記制限トルクを超えた分、前記ステータのコイルが発電し、前記発電により生じた電流が駆動電流の一部を補完して前記駆動電流を減少させることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. ロータとステータの逆回転を防止する逆転防止手段を有し、
   前記逆転防止手段は、軸受部と固定したラチェット歯車と、前記ロータの側及び前記ステータの側に固定し前記ラチェット歯車と噛み合う爪部と、を有し、
   前記爪部は所定の回転速度以上になると前記ラチェット歯車から離脱して非接触となることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
4. コイルに交流の駆動電流が流下するとともに、
   ロータに設けられたロータ鉄心と、
   ステータの回転数からステータ周波数ｆｃを取得するステータ周波数取得手段と、
   前記駆動電流の周波数ｆａを制御する制御部と、をさらに有し、
   前記制御部は、ステータ周波数ｆｃを加味した上で所定のすべり周波数をとるように周波数ｆａを制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電動機。
5. ロータに設けられコイルと対向した複数の界磁マグネットと、
   前記コイルと前記界磁マグネットの相対位置を取得する位置情報取得手段と、
   前記コイルへの駆動電流の流下方向を制御する制御部と、をさらに有し、
   前記界磁マグネットは等間隔でかつ隣り合う磁極が逆となるように設けられ、
   前記制御部は、前記位置情報取得手段からの前記コイルと界磁マグネットとの相対位置に基づいて前記コイルの駆動電流の流下方向をそれぞれ制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電動機。

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