WO2013073274A1

WO2013073274A1 - 電動機

Info

Publication number: WO2013073274A1
Application number: PCT/JP2012/073221
Authority: WO
Inventors: 敦誉小柴; 貞一郎千葉
Original assignee: 株式会社小松製作所
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-05-23
Also published as: JP2013106492A

Abstract

　電動機１は、回転軸Ｚｒを中心として回転する第１ローター１０及び第２ローター２０と、第１ローター１０と第２ローター２０との間に配置されるとともに回転軸Ｚｒの周囲を取り囲み、かつ３×ｎ個のスロットを有するステーター３０と、それぞれのスロットに配置される複数の巻線３３と、を含む。数式２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）のｍ及びｎを固定し、ｋを変更することにより得られる偶数の群であって、３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数及びその倍数を含む群を除外した群の中から選択された２つの偶数が、それぞれ第１ローター１０及び第２ローター２０の磁極の数となる。ここで、ｍ、ｎ、ｋは１以上の整数、ｍの最大値は３×ｎ－１。

Description

電動機

　本発明は、複数のローターを有する電動機に関する。

　ステーターを共用する２個のローターを有する電動機がある（例えば、特許文献１）。

特開２００６－３２０１８７号公報

　特許文献１に記載された発明は、それぞれのローターを独立して制御することはできない。本発明は、ステーターを共用する２個のローターを有する電動機において、それぞれのローターを独立して制御することを目的とする。

　本発明は、回転軸を中心として回転する第１ローター及び第２ローターと、前記第１ローターと前記第２ローターとの間に配置されるとともに前記回転軸の周囲を取り囲む環状の構造体であり、３×ｎ個のスロットを有するステーターと、それぞれの前記スロットに配置される複数の巻線と、を含み、数式２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）のｍ及びｎを固定し、ｋを変更することにより得られる偶数の群であって、３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数及びその倍数を含む群を除外した群の中から選択された２つの偶数が、それぞれ前記第１ローター及び前記第２ローターの磁極の数となることを特徴とする電動機である。ここで、ｍ、ｎ、ｋは１以上の整数、ｍの最大値は３×ｎ－１である。

　本発明において、前記ステーターの巻線には、前記第１ローターを駆動するための電流と、前記第２ローターを駆動するための電流とを重畳して合成した電流が与えられることが好ましい。

　本発明において、前記第１ローターを駆動するための電流と、前記第２ローターを駆動するための電流とは、互いに異なる周波数及び振幅をもった電流であることが好ましい。

　本発明において、前記巻線は、前記ステーターの周方向に向かって巻き回されているトロイダルコイルであることが好ましい。

　本発明において、前記第１ローターは、径方向外側に前記第１ローターの磁極を作るための磁石と係合する部分を有し、前記第２ローターは、径方向外側に前記第２ローターの磁極を作るための磁石と係合する部分を有することが好ましい。

　本発明において、前記第１ローターと前記第２ローターとは、前記ステーターを挟んで前記回転軸の手前から奥に向かって互いに平行に配列されていることが好ましい。

　本発明において、前記ステーターは、径方向外側と径方向内側との間で前記スロットの部分の外周円弧の長さと内周円弧の長さとが同一であることが好ましい。

　本発明は、回転軸を中心として回転するとともに、磁極を作る磁石及び前記磁石と係合する部分を径方向外側に有する第１ローター及び第２ローターと、前記第１ローターと前記第２ローターとの間に配置されるとともに前記回転軸の周囲を取り囲む環状の構造体であり、３×ｎ個のスロットを有するステーターと、それぞれの前記スロットに配置されるとともに、前記ステーターの周方向に向かって巻き回されているトロイダルコイルとなる複数の巻線と、を含み、前記第１ローターと前記第２ローターとは、前記ステーターを挟んで前記回転軸の手前から奥に向かって互いに平行に配列され、さらに、数式２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）のｍ及びｎを固定し、ｋを変更することにより得られる偶数の群であって、３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数及び前記最小の偶数の倍数を含む群を除外した群の中から選択された２つの偶数が、それぞれ前記第１ローター及び前記第２ローターの磁極の数となることを特徴とする電動機である。ここで、ｍ、ｎ、ｋは１以上の整数、ｍの最大値は３×ｎ－１である。

　本発明は、ステーターを共用する２個のローターを有する電動機において、それぞれのローターを独立して制御することができる。

図１は、本実施形態に係る電動機を、その回転軸を通りかつ回転軸を含む平面で切った断面図である。図２は、本実施形態に係る電動機の内部構造の斜視図である。図３は、本実施形態に係る電動機が有する第１ローターの平面図である。図４は、本実施形態に係る電動機が有する第２ローターの平面図である。図５は、本実施形態に係る電動機が有するステーターの平面図である。図６は、本実施形態の変形例に係る電動機を、その回転軸を通りかつ回転軸を含む平面で切った断面図である。図７は、本実施形態に係る電動機を、その回転軸と直交する平面で切った一部断面図である。図８は、三相電動機の電気角と相との関係を示す模式図である。図９は、比較例の相順を示す模式図である。図１０は、本実施形態の相順を示す模式図である。図１１は、ステーターの変形例を示す斜視図である。図１２は、ステーターの変形例を示す一部平面図である。

　本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

＜電動機の構造＞
　図１は、本実施形態に係る電動機を、その回転軸を通りかつ回転軸を含む平面で切った断面図である。図２は、本実施形態に係る電動機の内部構造の斜視図である。図３は、本実施形態に係る電動機が有する第１ローターの平面図である。図４は、本実施形態に係る電動機が有する第２ローターの平面図である。図５は、本実施形態に係る電動機が有するステーターの平面図である。図１、図６は、回転軸Ｚｒを基準としたそれぞれの図の上側と下側とで電動機１、１ａの異なる断面を示している。

　電動機１は、第１ローター１０と、第２ローター２０と、ステーター３０とを含んでいる。電動機１は、三相電動機であり、共通のステーター３０によって、第１ローター１０と第２ローター２０とが駆動されるものである。第１ローター１０と、第２ローター２０と、ステーター３０とは、筐体２内に格納される。筐体２は、筒状の構造体であり、両端部の貫通孔５、６からそれぞれ動力伝達シャフト１２、２２が突出している。

　第１ローター１０及び第２ローター２０の回転中心と回転軸Ｚｒとは同一である。また、第１ローター１０及び第２ローター２０の径方向と回転軸Ｚｒとは直交する。第１ローター１０及び第２ローター２０は、回転軸Ｚｒを中心として回転する。このように、第１ローター１０及び第２ローター２０は、共通の回転軸Ｚｒの周りを回転する。ステーター３０は、第１ローター１０と第２ローター２０との間に配置される。したがって、第１ローター１０と第２ローター２０とは、回転軸Ｚｒが伸びる方向に向かって異なる位置であって、間にステーター３０を挟んで配置されている。このように、第１ローター１０と第２ローター２０とは、ステーター３０を挟んで回転軸Ｚｒの手前（一方側）から奥（他方側）に向かって互いに平行に配列されている。

　第１ローター１０は、回転軸Ｚｒと直交する２個の端面のうち一方が、回転軸Ｚｒと直交するステーター３０の一方の端面と対向する。第２ローター２０は、回転軸Ｚｒと直交する２個の端面のうち一方が、回転軸Ｚｒと直交するステーター３０の他方の端面と対向する。電動機１の形式は、回転軸Ｚｒと平行な方向に第１ローター１０及び第２ローター２０とステーター３０とのギャップが存在するアキシャルギャップ型である。

　第１ローター１０及び第２ローター２０は、いずれも円板形状の構造体としてのローター本体（ヨーク）１１、２１と、ローター本体１１、２１に取り付けられる動力伝達シャフト１２、２２と、ローター本体１１、２１に取り付けられる複数の磁石（永久磁石）１３、２３と、を有している。動力伝達シャフト１２、２２は、ローター本体１１、２１の両方の端面から回転軸Ｚｒの方向に向かってそれぞれ延在している。動力伝達シャフト１２、２２の中心軸は、ローター本体１１、２１の中心軸と共通する。これらは、電動機１の回転軸Ｚｒとも共通する。

　第１ローター１０は、径方向外側に第１ローター１０の磁極を作るための磁石１３と係合する部分（第１磁石係合部）１０Ｔを有し、第２ローター２０は、径方向外側に第２ローター２０の磁極を作るための磁石２３と係合する部分（第２磁石係合部）２０Ｔを有する。第１磁石係合部１０Ｔは、ローター本体１１の径方向外側における外縁部から回転軸Ｚｒと平行な方向に向かって突出している。同様に、第２磁石係合部２０Ｔは、ローター本体２１の径方向外側における外縁部から回転軸Ｚｒと平行な方向に向かって突出している。

　第１ローター１０の磁石１３は、第１磁石係合部１０Ｔと係り合う。また、第２ローター２０の磁石２３は、第１磁石係合部２０Ｔと係り合う。このようにすることで、第１磁石係合部１０Ｔ及び第２磁石係合部２０Ｔは、第１ローター１０及び第２ローター２０が回転することによって磁石１３、２３に作用する遠心力を受ける。その結果、第１ローター１０及び第２ローター２０の回転中に磁石１３、２３が外れるおそれを低減できるので、安全性が向上する。

　ステーター３０は、環状の構造体である。ステーター３０は、筐体２の内部に配置されている。ステーター３０は、ステーターコア３１と、ステーターコア３１に設けられているティース３２と、ステーターコア３１に巻き回されている巻線（コイル）３３とを有している。巻線３３は、導体であり、本実施形態では銅線である。巻線３３は銅線に限られず、例えば、アルミニウム線であってもよい。ステーター３０は、ステーターコア３１の外周部３１Ｓが筐体２の内周部２Ｉに固定されている。ステーターコア３１は、中心部に貫通孔３１Ｈを有している。ステーター３０の構造については、後述する。

　第１ローター１０の動力伝達シャフト１２は、軸受３Ａ、３Ｂに支持されている。より具体的には、動力伝達シャフト１２は、ローター本体１１の一方の端面側（磁石１３が配置されている側）が軸受３Ａに、他方の端面側（磁石１３とは反対側）が軸受３Ｂに支持されている。第２ローター２０の動力伝達シャフト２２は、軸受３Ｃ、３Ｄに支持されている。より具体的には、動力伝達シャフト２２は、ローター本体２１の一方の端面側（磁石２３が配置されている側）が軸受３Ｃに、他方の端面側（磁石２３とは反対側）が軸受３Ｄに支持されている。

　軸受３Ａ、３Ｃは、ステーターコア３１の貫通孔３１Ｈに取り付けられている。このため、軸受３Ａ、３Ｃは、ステーターコア３１を介して筐体２に支持されている。軸受３Ｂは筐体２の貫通孔５に取り付けられ、軸受３Ｄは筐体２の貫通孔６に取り付けられる。このような構造により、第１ローター１０は、軸受３Ａ、３Ｂ及び動力伝達シャフト１２を介して筐体２に支持され、第２ローター２０は、軸受３Ｃ、３Ｄ及び動力伝達シャフト２２を介して筐体２に支持される。第１ローター１０と第２ローター２０とは、筐体２に対してそれぞれ独立に回転できるようになっている。

　図２、図３に示すように、第１ローター１０が有する複数の磁石１３は、ローター本体１１の一方の端面であって動力伝達シャフト１２の周囲に、ローター本体１１の周方向に向かってＮ極、Ｓ極が交互に配列される。図２、図４に示すように、第２ローター２０が有する複数の磁石２３も、ローター本体２１の一方の端面であって動力伝達シャフト２２の周囲に、ローター本体２１の周方向に向かってＮ極、Ｓ極が交互に配列される。本実施形態では、磁石１３Ｎ、２３ＮがＮ極を表し、磁石１３Ｓ、２３ＳがＳ極を表す。磁石１３、２３は、磁極を作る。

　磁石１３、２３は、ローター本体１１、２１の表面に取り付けられる構造（ＳＰＭ：Surface　Permanent　Magnet）であってもよいし、ローター本体１１、２１に埋め込まれる構造（ＩＰＭ：Interior　Permanent　Magnet）であってもよい。以下の例においても同様である。また、磁石１３、２３は、リング磁石又はセグメント磁石いずれであってもよい。

　第１ローター１０が有する磁石１３の数及び第２ローター２０が有する磁石２３の数は、いずれも偶数である。第１ローター１０が有する磁石１３の数及び第２ローター２０が有する磁石２３の数が、それぞれ第１ローター１０の磁極の数及び第２ローター２０の磁極の数になる。磁極の数を極数という。本実施形態において、第１ローター１０が有する磁石１３の数と、第２ローター２０が有する磁石２３の数とは異なっている。図１、図２に示すように、第１ローター１０及び第２ローター２０は、磁石１３、２３がステーター３０のティース３２と対向している。

　図２、図５に示すように、ステーター３０が有するステーターコア３１は、環状のヨーク３４と、ヨーク３４の両方の端面にそれぞれが取り付けられる複数のティース３２とを有している。ステーターコア３１は、例えば、電磁鋼板を積層してもよいし、磁性体の粉末を加圧して成形してもよい。後者のようにすると、複雑な形状のステーターコア３１であっても比較的容易に製造できるという利点がある。

　ヨーク３４の一方の端面側と他方の端面側とにおいて、ティース３２は、ヨーク３４の周方向に対して同じ位置に配置されている。ティース３２は、第１ローター１０の磁石１３及び第２ローター２０の磁石２３と対向する平板部３２Ｐと、平板部３２Ｐとヨーク３４とを連結する軸部３２Ｓとを有している。ヨーク３４の両方の端面に複数のティース３２が配置されて、それぞれの端面側のティース３２が第１ローター１０及び第２ローター２０と対向している。

　ヨーク３４の周方向に向かって隣接するティース３２の間がスロット３５である。本実施形態では、ヨーク３４の両方の端面に複数のティース３２が配置されているため、スロット３５も、一方の端面側と他方の端面側とに形成される。本実施形態において、スロット３５の数は、ヨーク３４の両方の端面側に形成される２個のスロット３５を１個として数える。スロット３５の数は、一方の端面側又は他方の端面側に設けられているティース３２の数に等しい。本実施形態において、ステーター３０が有するスロット３５の数を３×ｎ個とする。

　それぞれのスロット３５には、巻線３３が配置されている。巻線３３ｕはＵ相、巻線３３ｖはＶ相、巻線３３ｗはＷ相を示す。巻線３３は、スロット３５の部分のヨーク３４に、ヨーク３４の周方向に向かって巻き回されている。このように、本実施形態では、巻線３３がヨーク３４にトロイダル状に巻き回されて、トロイダルコイルとなっている。このようにすることで、第１ローター１０側と第２ローター２０側とにそれぞれ独立して磁気回路を形成することができる。その結果、第１ローター１０と第２ローター２０とを独立して駆動できるとともに、出力低下を抑制することができる。

　ステーターコア３１は、例えば、磁性体の粉末を型に入れた後、圧縮成形することによって製造することができるが、ステーターコア３１の製造方法はこれに限定されるものではない。ステーター３０は、巻線３３をヨーク３４に巻回したステーターコア３１を、樹脂でモールドしてもよい。このようにすることで、ステーターコア３１と巻線３３とを一体にすることができるので、ステーター３０の取り扱いが容易になる。

＜電動機の変形例＞
　図６は、本実施形態の変形例に係る電動機を、その回転軸を通りかつ回転軸を含む平面で切った断面図である。図７は、本実施形態に係る電動機を、その回転軸と直交する平面で切った一部断面図である。電動機１ａは、共通のステーター３０ａによって、第１ローター１０ａと第２ローター２０ａとが駆動される点では上述した電動機１（図１等参照）と共通する。上述した電動機１の形式がアキシャルギャップ型であるのに対し、電動機１ａの形式は、回転軸Ｚｒと直交する方向、すなわち、径方向に第１ローター１０及び第２ローター２０とステーター３０とのギャップが存在するラジアルギャップ型である点が異なる。すなわち、電動機１ａは、第１ローター１０の径方向外側にステーター３０ａが配置され、ステーター３０ａの径方向外側に第２ローター２０ａが配置される。

　電動機１ａは、第１ローター１０ａと、第２ローター２０ａと、ステーター３０ａとを含んでいる。電動機１は、三相電動機であり、共通のステーター３０によって、第１ローター１０と第２ローター２０とが駆動されるものである。電動機１ａは、ステーター３０ａが有するステーターコア３１ａの、回転軸Ｚｒ方向における端部３１Ｔが取付対象４に固定される。第１ローター１０ａ及び第２ローター２０ａは、共通の回転軸Ｚｒを中心として回転する。第２ローター２０ａは、第１ローター１０ａの径方向外側かつステーター３０ａの径方向外側に配置されている。このような構造により、ステーター３０ａは、第１ローター１０ａと第２ローター２０ａとの間に配置される。したがって、第１ローター１０ａとステーター３０ａと第２ローター２０ａとは、回転軸Ｚｒを中心として直径が異なる３個の同心円上に配置される。

　第１ローター１０ａは、円柱形状の構造体としてのローター本体（ヨーク）１１ａと、ローター本体１１ａに取り付けられる動力伝達シャフト１２ａと、ローター本体１１ａに取り付けられる複数の磁石（永久磁石）１３ａと、を有している。第２ローター２０ａは、円筒形状の構造体としてのローター本体（ヨーク）２１ａと、ローター本体２１ａに取り付けられる動力伝達シャフト２２ａと、ローター本体２１ａに取り付けられる複数の磁石（永久磁石）２３ａと、を有している。動力伝達シャフト１２ａ、２２ａは、ローター本体１１ａ、２１ａの一方の端面から回転軸Ｚｒの方向に向かってそれぞれ延出している。第１ローター１０ａの動力伝達シャフト１２ａと第２ローター２０ａの動力伝達シャフト２２ａとは、延出する方向がそれぞれ反対方向である。動力伝達シャフト１２ａ、２２ａの中心軸は、ローター本体１１ａ、２１ａの中心軸と共通する。これらは、電動機１ａの回転軸Ｚｒとも共通する。

　ステーター３０ａは、環状の構造体である。ステーター３０ａは、ステーターコア３１ａと、ステーターコア３１ａに設けられているティース３２ａｏ、３２ａｉと、ステーターコア３１ａに巻き回されている巻線（コイル）３３ａとを有している。巻線３３ａは、導体であり、上述した電動機１と同様である。図７中の点線が、巻線３３ａの巻き方を示している。ステーターコア３１ａは、中心部に貫通孔３１ＨＡ、３１ＨＢを有している。

　図７に示すように、ステーター３０ａが有するステーターコア３１ａは、環状のヨーク３４ａと、ヨーク３４ａの外周面と内周面とにそれぞれが設けられる複数のティース３２ａｏ、３２ａｉとを有している。ステーターコア３１ａの材料は、上述したステーターコア３１と同様である。ヨーク３４ａの外周面と内周面とにおいて、ティース３２ａｏ、３２ａｉは、ヨーク３４ａの周方向に対して同じ位置に配置されている。ヨーク３４ａの外周面に配置されたティース（第２ティース）３２ａｏは、第２ローター２０ａ、より具体的には第２ローター２０ａの内周面に設けられた磁石２３ａと対向している。ヨーク３４ａの内周面に配置されたティース（第１ティース）３２ａｉは、第１ローター１０ａ、より具体的には第１ローター１０ａの外周面に設けられた磁石１３ａと対向している。

　ヨーク３４ａの周方向に向かって隣接するティース３２ａｏ、３２ｉｏの間がスロット３５ａである。本実施形態では、ヨーク３４ａの内周面と外周面とに複数のティース３２ａｉ、３２ａｏが配置されているため、スロット３５ａも、内周面側と外周面側とに形成される。本変形例において、スロット３５ａの数は、ヨーク３４ａの内周面及び外周面に形成される２個のスロット３５ａを１個として数える。スロット３５ａの数は、ヨーク３４ａの内周面及び外周面にそれぞれが設けられているティース３２ａｉ、３２ａｏの数に等しい。本変形例においても、ステーター３０ａが有するスロット３５ａの数を３×ｎ個とする。それぞれのスロット３５ａには、巻線３３ａが配置されている。巻線３３ａｕはＵ相、巻線３３ａｖはＶ相、巻線３３ａｗはＷ相を示す。巻線３３ａは、スロット３５ａの部分のヨーク３４ａに、ヨーク３４ａの周方向に向かって巻き回されている。このように、本変形例でも、巻線３３ａがヨーク３４ａにトロイダル状に巻き回されて、トロイダルコイルとなっている。

　第１ローター１０ａの動力伝達シャフト１２ａは、軸受３Ａａ、３Ｂａに支持されている。第２ローター２０ａは、回転軸Ｚｒ方向における両端部の内周面に、軸受３Ｃａ、３Ｄａが取り付けられている。第１ローター１０ａを支持する軸受３Ａａ、３Ｂａは、ステーター３０ａが有するステーターコア３１ａの２つの貫通孔３１ＨＡ、３１ＨＢに取り付けられている。また、第２ローター２０ａを支持する軸受３Ｃａ、３Ｄａは、回転軸Ｚｒ方向におけるステーター３０ａの両端部の外周部に取り付けられている。このような構造により、第１ローター１０ａと第２ローター２０ａとは、軸受３Ａａ、３Ｂａ、３Ｃａ、３Ｄａを介して、ステーター３０ａによって回転可能に支持されている。また、第１ローター１０ａと第２ローター２０ａとは、ステーター３０ａに対してそれぞれ独立に回転できるようになっている。

　第１ローター１０ａの動力伝達シャフト１２ａは、ステーターコア３１ａの２つの貫通孔３１ＨＢから電動機１ａの外部に取り出される。第２ローター２０ａの動力伝達シャフト２２ａは、第１ローター１０ａの動力伝達シャフト１２ａとは反対側における第２ローター２０ａの端面に取り付けられる。ステーター３０ａは、取付対象４に取り付けられているので静止している。電動機１ａは、ステーター３０ａが生成する回転磁界によって、第１ローター１０ａがステーター３０ａの内側を、第２ローター２０ａがステーター３０ａの外側をそれぞれ独立に回転する。

　図６、図７に示すように、第１ローター１０ａが有する複数の磁石１３ａは、ローター本体１１ａの外周面に設けられるか、ローター本体１１ａの外周面側に埋め込まれる。複数の磁石１３ａは、ローター本体１１ａの周方向に向かってＮ極、Ｓ極が交互に配列される。第２ローター２０が有する複数の磁石２３ａは、ローター本体２１ａの内周面に設けられるか、ローター本体２１ａの内周面側に埋め込まれる。複数の磁石２３ａは、ローター本体２１ａの周方向に向かってＮ極、Ｓ極が交互に配列される。本実施形態では、磁石１３Ｎａ、２３ＮａがＮ極を表し、磁石１３Ｓａ、２３ＳａがＳ極を表す。磁石１３ａ、２３ａは、磁極を作る。磁石１３ａ、２３ａの数については、電動機１と同様である。

＜極数の設定＞
　図８は、三相電動機の電気角と相との関係を示す模式図である。図９は、比較例の相順を示す模式図である。図１０は、本実施形態の相順を示す模式図である。次においては、図１等に示すアキシャル型の電動機１を例とするが、図６等に示すラジアル型の電動機１ａであっても同様である。三相電動機である電動機１において、電気角θｅ（°）は、磁極の数（極数）をＰ、スロットの数（スロット数）をＳとすると、式（１）で表される。
　θｅ＝１８０×Ｐ／Ｓ・・・（１）

　電動機１が有する巻線３３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相がある。Ｕ相の巻線３３ｕ、Ｖ相の巻線３３ｖ及びＷ相の巻線３３ｗは、それぞれ位相が異なる電圧が印加される。それに応じて位相が異なる電流がそれぞれの巻線３３ｕ、３３ｖ、３３ｗに流れる。図８に示すように、電気角θｅが０°以上６０°未満である場合は＋Ｕ相、電気角θｅが６０°以上１２０°未満である場合は－Ｗ相、電気角θｅが１２０°以上１８０°未満である場合は＋Ｖ相、電気角θｅが１８０°以上２４０°未満である場合は－Ｕ相、電気角θｅが２４０°以上３００°未満である場合は＋Ｗ相、電気角θｅが３００°以上３６０°未満である場合は－Ｖ相となる。それぞれの相を示す符号に付く＋、－は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を流れる電流の向きを示す。上記相順に３相交流を与えることによって、電動機１の回転に必要な回転磁界が得られる。

　比較例として、電動機１のステーター３０が１２個のスロット３５Ａ～３５Ｌを有し（スロット数Ｓ＝１２）、第１ローター１０がＮ極の磁石１３ＮとＳ極の磁石１３Ｓとをそれぞれ４個ずつ有し（極数Ｐ＝８）、第２ローター２０がＮ極の磁石２３ＮとＳ極の磁石２３Ｓとをそれぞれ５個ずつ有する（極数Ｐ＝１０）場合を考える。この場合、第１ローター１０は、隣接するスロット３５Ａ、３５Ｂ間等において電気角θｅは１２０°変化し、第２ローター２０は、隣接するスロット３５Ａ、３５Ｂ間等において電気角θｅは１５０°変化する。

　図９に示すように、比較例は、スロット３５Ａにおいて第１ローター１０の電気角θｅ及び第２ローター２０の電気角θｅはいずれも０°なので、巻線３３の相はいずれも＋Ｕ相であり同一の相である。スロット３５Ｂにおいて第１ローター１０の電気角θｅは１２０度で＋Ｖ相、第２ローター２０の電気角θｅは１５０°なので、巻線３３の相はいずれも＋Ｖ相であり同一の相である。しかし、スロット３５Ｃにおいて第１ローター１０の電気角θｅは２４０°なので巻線３３の相は＋Ｗ相であるのに対し、第２ローター２０の電気角θｅは３００°なので巻線３３の相は－Ｖ相となり、異なる相になる。スロット３５Ｄ～スロット３５Ｌについても第１ローター１０における巻線３３の相と第２ローター２０における巻線３３の相とは異なる。このため、比較例のような極数Ｐ及びスロット数Ｓの関係では、第１ローター１０と第２ローター２０とを独立して駆動することはできない。

　本実施形態として、電動機１のステーター３０が１２個のスロット３５Ａ～３５Ｌを有し（スロット数Ｓ＝１２）、第１ローター１０がＮ極の磁石１３ＮとＳ極の磁石１３Ｓとをそれぞれ４個ずつ有し（極数Ｐ＝８）、第２ローター２０がＮ極の磁石２３ＮとＳ極の磁石２３Ｓとをそれぞれ１６個ずつ有する（極数Ｐ＝３２）場合を考える。この場合、第１ローター１０及び第２ローター２０は、隣接するスロット３５Ａ、３５Ｂ間等において電気角θｅは１２０°変化する。

　図１０に示すように、本実施形態は、スロット３５Ａにおいて第１ローター１０の電気角θｅ及び第２ローター２０の電気角θｅはいずれも０°なので、巻線３３の相はいずれも＋Ｕ相であり同じ相である。スロット３５Ｂ～スロット３５Ｌについても、第１ローター１０の電気角θｅと第２ローター２０の電気角θｅとは等しいため、巻線３３の相は同相になる。すなわち、本実施形態は、第１ローター１０と第２ローター２０とを共通のステーター３０で駆動するにあたり、第１ローター１０と第２ローター２０との間で巻線３３の相順が同一になる。このため、本実施形態のような極数Ｐ及びスロット数Ｓの関係とすることにより、第１ローター１０と第２ローター２０とを独立して駆動することができる。より具体的には、隣接するスロット３５Ａ、３５Ｂ間等における電気角θｅが、第１ローター１０及び第２ローター２０の両方で同じ大きさとなるように極数Ｐ及びスロット数Ｓを設定すればよい。

　このため、本実施形態では、数式２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）のｍ及びｎを固定し、ｋを変更することにより得られる偶数の群の中から選択された２つの偶数を、それぞれ第１ローター１０及び第２ローター２０の磁極の数、すなわち極数とする。ここで、スロット数Ｓは３×ｎである。ｍ、ｎ、ｋは１以上の整数である。また、ｍの最大値は３×ｎ－１である。さらに、３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数及びその倍数を含む群は除外する。これは、巻線３３の相がＵ相、Ｖ相及びＷ相の少なくとも一つを欠く偶数を含む群を作る数は除くということである。このように極数Ｐとスロット数Ｓ（＝３×ｎ）とを設定することで、隣接するスロット３５Ａ、３５Ｂ間等における電気角θｅを、第１ローター１０及び第２ローター２０の両方で同じ大きさとすることができる。その結果、第１ローター１０と第２ローター２０とを独立して駆動することができる。

　ｎ＝１の場合、スロット数Ｓ＝３×ｎ＝３になる。２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）から求められる数の群は、下記のようになる。ｍの最大値は、３×ｎ－１＝２となる。３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数は６であるが、ｎ＝１の場合、ｍが３以上の群は存在しないので、６以上の偶数から始まる群は存在しない。
　ｍ＝１：（２、８、１４、２０・・・）
　ｍ＝２：（４、１０、１６、２２・・・）
　第１ローター１０の極数Ｐ１及び第２ローター２０の極数Ｐ２として選択可能な組み合わせは、ｍ＝１の場合、２及び８、８及び１４、８及び２０等があり、ｍ＝２の場合、４及び１０、１０及び１６、１０及び２２等がある。ｍが異なる２個の群にまたがって極数Ｐ１、Ｐ２を選択することはできないので、８及び１６、２０及び４等はＰ１、Ｐ２として選択することができない。

　ｎ＝２の場合、スロット数Ｓ＝３×ｎ＝６になる。２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）から求められる数の群は、下記のようになる。ｍの最大値は、３×ｎ－１＝５となる。３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数は６である。ｍ＝３のときの群は、（６、１８、３０、４２・・・）となり、最小の数に６を含んでいる。このため、ｍ＝３の群は極数Ｐ１、Ｐ２の選択から除外される。ｎ＝２の場合、ｍ＝３とすると、巻線３３の相がＵ相、Ｖ相及びＷ相の少なくとも一つを欠く偶数を含む群を作るからである。このため、ｎ＝２の場合、ｍ＝３は除かれる。
　ｍ＝１：（２、１４、２６、３８・・・）
　ｍ＝２：（４、１６、２８、４０・・・）
　ｍ＝４：（８、２０、３２、４４・・・）
　ｍ＝５：（１０、２２、３４、４６・・・）
　第１ローター１０の極数Ｐ１及び第２ローター２０の極数Ｐ２として選択可能な組み合わせは、ｍ＝１の場合、２及び１４、１４及び２６、２６及び３８等がある。ｍが異なる２個の群にまたがって極数Ｐ１、Ｐ２を選択することはできないので、１４及び１６、１６及び２０等はＰ１、Ｐ２として選択することができない。

　ｎ＝３の場合、スロット数Ｓ＝３×ｎ＝９になる。２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）から求められる数の群は、下記のようになる。ｍの最大値は、３×ｎ－１＝８となる。３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数は１８であるが、ｎ＝３の場合、ｍが９以上の群は存在しないので、１８以上の偶数から始まる群は存在しない。
　ｍ＝１：（２、２０、３８、５６、７４・・・）
　ｍ＝２：（４、２２、４０、５８、７６・・・）
　ｍ＝３：（６、２４、４２、６０、７８・・・）
　ｍ＝４：（８、２６、４４、６２、８０・・・）
　ｍ＝５：（１０、２８、４６、６４、８２・・・）
　ｍ＝６：（１２、３０、４８、６６、８４・・・）
　ｍ＝７：（１４、３２、５０、６８、８６・・・）
　ｍ＝８：（１６、３４、５２、７０、８８・・・）
　第１ローター１０の極数Ｐ１及び第２ローター２０の極数Ｐ２として選択可能な組み合わせは、ｍ＝１の場合、２及び２０、３８及び５６等があり、ｍ＝２の場合、２２及び４０等、ｍ＝３の場合、４２及び６０等がある。ｍが異なる２個の群にまたがって極数Ｐ１、Ｐ２を選択することはできないので、２０及び２２、４０及び６０等はＰ１、Ｐ２として選択することができない。

　ｎ＝４の場合、スロット数Ｓ＝３×ｎ＝１２になる。２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）から求められる数の群は、下記のようになる。ｍの最大値は、３×ｎ－１＝１１となる。３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数は６であり、その倍数は、１２、１８である。ｍ＝３のときの群は、（６、３０、５４、７８、１０２・・・）となり、最小の数に６を含んでいる。ｍ＝６のときの群は、（１２、３６、６０、８４、１０８・・・）となり、最小の数に１２を含んでいる。ｍ＝９のときの群は、（１８、４２、６６、９０、１１４・・・）となり、最小の数に１８を含んでいる。このため、ｍ＝３、６、９の群は極数Ｐ１、Ｐ２の選択から除外される。ｎ＝４の場合、ｍ＝３、６、９とすると、巻線３３の相がＵ相、Ｖ相及びＷ相の少なくとも一つを欠く偶数を含む群を作るからである。
　ｍ＝１：（２、２６、５０、７４、９８・・・）
　ｍ＝２：（４、２８、５２、７６、１００・・・）
　ｍ＝４：（８、３２、５６、８０、１０４・・・）
　ｍ＝５：（１０、３４、５８、８２、１０６・・・）
　ｍ＝７：（１４、３８、６２、８６、１１０・・・）
　ｍ＝８：（１６、４０、６４、８８、１１２・・・）
　ｍ＝１０：（２０、４４、６８、９２、１１６・・・）
　ｍ＝１１：（２２、４６、７０、９４、１１８・・・）
　第１ローター１０の極数Ｐ１及び第２ローター２０の極数Ｐ２として選択可能な組み合わせは、ｍ＝１の場合、２及び２６、５０及び７４等、ｍ＝２の場合、２８及び５２等、ｍ＝４の場合、３２及び５６等、ｍ＝５の場合、３４、５８等、ｍ＝７の場合、３８、６２等、ｍ＝８の場合、４０、６４等、ｍ＝１０の場合、４４、６８等、ｍ＝１１の場合、４６、７０等がある。ｍが異なる２個の群にまたがって極数Ｐ１、Ｐ２を選択することはできないので、２６及び２８、５０及び５２等はＰ１、Ｐ２として選択することができない。次に、本実施形態に係る電動機１の制御を説明する。

＜電動機の制御＞
　電動機１は、第１ローター１０と第２ローター２０とが共通のステーター３０で駆動される。このため、ステーター３０の巻線３３ｕ、３３ｖ、３３ｗに与える電流（駆動電流）は、第１ローター１０を駆動するための電流（又は電圧、以下同様）と、第２ローター２０を駆動するための電流とを重畳して（重ね合わせて）合成した電流（合成電流）となる。第１ローター１０の回転速度をω１／π×３０ｒｐｍ、第１ローター１０を駆動するための電流の最大値をＩ１（アンペア）、第２ローター２０の回転速度をω２／π×３０ｒｐｍ、第２ローター２０を駆動するための電流の最大値をＩ２（アンペア）とし、それぞれのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流をｓｉｎ波で変化させるとする。第１ローター１０と第２ローター２０とを同方向に回転させる場合、第１ローター１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動電流Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は、式（２）～式（４）のようになり、第２ローター１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動電流Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、式（５）～式（７）のようになる。ω１、ω２は、それぞれ第１ローター１０、第２ローター２０の角周波数、ｔは時間である。

　Ｕ１＝Ｉ１×ｓｉｎ（ω１×ｔ）・・・（２）
　Ｖ１＝Ｉ１×ｓｉｎ（ω１×ｔ－２×π／３）・・・（３）
　Ｗ１＝Ｉ１×ｓｉｎ（ω１×ｔ＋２×π／３）・・・（４）
　Ｕ２＝Ｉ２×ｓｉｎ（ω２×ｔ）・・・（５）
　Ｖ２＝Ｉ２×ｓｉｎ（ω２×ｔ－２×π／３）・・・（６）
　Ｗ２＝Ｉ２×ｓｉｎ（ω２×ｔ＋２×π／３）・・・（７）

　Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の駆動電流は、第１ローター１０の各相の電流と第２ローター２０の各相の電流とを、それぞれ加算した値になる。すなわち、Ｕ相の駆動電流Ｕ、すなわち、巻線３３ｕの駆動電流は式（８）、Ｖ相の駆動電流Ｖ、すなわち、巻線３３ｖの駆動電流は式（９）、Ｗ相の駆動電流Ｗ、すなわち、巻線３３ｗの駆動電流は式（１０）のようになる。電動機１の制御装置は、式（８）～（１０）で表される駆動電流Ｕ、Ｖ、Ｗを生成し、電動機１が有するステーター３０の巻線３３ｕ、３３ｖ、３３ｗに与えることにより、電動機１の第１ローター１０と第２ローター２０とを独立して駆動することができる。例えば、角周波数ω１、ω２を異ならせることにより、第１ローター１０の回転速度と第２ローター２０の回線速度とを異ならせることができる。また、第１ローター１０を駆動するための電流の最大値Ｅ１又は第２ローター２０を駆動するための電流の最大値Ｅ２（又は駆動電流の最大値）を異ならせることにより、第１ローター１０の出力と第２ローター２０の出力とを異ならせることができる。
　Ｕ＝Ｕ１＋Ｕ２・・・（８）
　Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２・・・（９）
　Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２・・・（１０）

　第１ローター１０と第２ローター２０とを反対方向に回転させる場合、両者を同方向に回転させる場合に対して、逆回転させる方のＶ相とＷ相とを入れ替えるとともに、各相に流す電流の位相を１８０°進ませる。この例では、第１ローター１０と第２ローター２０とを同方向に回転させる場合に対して、第２ローター２０の回転方向を反対にする。第１ローター１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動電流Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は、上述した式（２）～式（４）のようになり、第２ローター１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動電流Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、式（１１）～式（１３）のようになる。第２ローター２０のＵ相は、式（５）に１８０°、すなわちπを加算したものである。第２ローター２０のＶ相は、式（７）、すなわち、同方向の場合のＷ相にπを加算したものであり、Ｕ相は、式（６）、すなわち同方向の場合のＶ相にπを加算したものである。式（２）～式（３）のＵ１、Ｖ１、Ｗ１及び式（１１）～式（１３）のＵ２、Ｖ２、Ｗ２を式（８）～式（１０）に与えることにより、逆回転させる場合のＵ相、Ｖ相及びＷ相の駆動電流Ｕ、Ｖ、Ｗを求めることができる。
　Ｕ２＝Ｉ２×ｓｉｎ（ω２×ｔ＋π）・・・（１１）
　Ｖ２＝Ｉ２×ｓｉｎ（ω２×ｔ＋２×π／３＋π）＝Ｉ１×ｓｉｎ（ω２×ｔ＋５×π／３）・・・（１２）
　Ｗ２＝Ｉ２×ｓｉｎ（ω２×ｔ－２×π／３＋π）＝Ｉ１×ｓｉｎ（ω２×ｔ＋π／３）・・・（１３）

　このように、電動機１（電動機１ａも同様）は、隣接するスロット間における電気角θｅが、第１ローター１０と第２ローター２０との両方で同じ大きさとなるように極数Ｐ及びスロット数Ｓを設定する。その上で、第１ローター１０を駆動するための電流と第２ローター２０を駆動するための電流とを重畳して合成した合成電流をステーター３０の巻線３３に与える。このようにすることで、電動機１は、第１ローター１０と第２ローター２０とが独立に制御できるようになる。具体的には、電動機１は、第１ローター１０及び第２ローター２０の回転方向、回転速度及びトルクをそれぞれ独立に制御することが可能になる。このため、第１ローター１０と第２ローター２０とは、互いに同方向又は逆方向に回転できる。

　第１ローター１０を駆動するための電流及び第２ローター２０を駆動するための電流は、周波数が回転速度に、振幅がトルクに対応する。第１ローター１０及び第２ローター２０の回転速度及びトルクをそれぞれ独立に制御する場合、第１ローター１０を駆動するための電流と、前記第２ローター２０を駆動するための電流とは、互いに異なる周波数及び振幅をもった電流になる。

　電動機１は、第１ローター１０と第２ローター２０とが独立に制御できるので、起動してから一定の回転速度になるまでの過渡的な時間も個別に設定し、制御することが可能になる。すなわち、電動機１は、起動してから一定の回転速度に到達するまでの時間も、第１ローター１０と第２ローター２０との間で任意に設定して互いに異ならせることができる。

＜ステーターの変形例＞
　図１１は、ステーターの変形例を示す斜視図である。図１２は、ステーターの変形例を示す一部平面図である。電動機１がアキシャルギャップ型である場合、第１ローター１０と第２ローター２０とは、回転軸Ｚｒと平行な方向に向かって配列されている。電動機１がアキシャルギャップ型である場合、図１２に示すように、ステーター、より具体的にはステーターコア３１Ｄは、径方向外側と径方向内側との間でスロット３５が同様の形状となることが好ましい。

　本変形例では、ステーターコア３１Ｄは、スロット３５の部分の径方向外側における円弧部分（外周円弧）の長さ、すなわち、隣接するティース３２Ｄの軸部３２ＤＳ間における外周円弧の長さＬｏｕｔと、スロット３５の部分の径方向内側における円弧部分（内周円弧）の長さ、すなわち、隣接するティース３２Ｄの軸部３２ＤＳ間における内周円弧の長さＬｉｎとが同程度の大きさ、好ましくは同一になっている。このようにするために、ティース３２の軸部３２ＤＳの径方向外側における円弧部分の長さｔｏｕｔは、ティース３２の軸部３２ＤＳの径方向内側における円弧部分の長さｔｉｎよりも大きくなっている。

　このようにすることで、隣接するティース３２の軸部３２ＤＳ間に形成されるスロット３５は、ステーターコア３１Ｄの周方向における寸法を、ステーターコア３１Ｄの径方向に向かって略一定とすることができる。その結果、より多くの巻線３３をスロット３５に巻き回すことができるとともに、巻線３３をステーターコア３１Ｄに巻き回す作業も容易になる。

１、１ａ　電動機
２　筐体
２Ｉ　内周部
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ａａ、３Ｂａ、３Ｃａ、３Ｄａ　軸受
４　取付対象
５、６　貫通孔
１０、１０ａ、１０Ｉ　第１ローター
１０Ｔ　第１磁石係合部
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１Ｉ、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１Ｉ　ローター本体
１２、１２ａ、２２、２２ａ　動力伝達シャフト
１３、１３ａ、１３Ｉ、２３、２３ａ、２３Ｉ　磁石
２０、２０ａ、２０Ｉ　第２ローター
２０Ｔ　第２磁石係合部
３０、３０ａ　ステーター
３１、３１ａ、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆ　ステーターコア
３１Ｈ、３１ＨＡ、３１ＨＢ　貫通孔
３１Ｔ　端部
３２、３２ａｏ、３２ａｉ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅ、３２Ｆ、３２Ｇ、３２Ｈ　ティース
３２Ｓ、３２ＤＳ　軸部
３２Ｐ、３２ＥＰ、３２Ｐｇ　平板部
３３、３３ｕ、３３ｖ、３３ｗ、３３ａ、３３ａｕ、３３ａｖ、３３ａｗ　巻線
３４、３４ａ、３４Ｃ　ヨーク
３５、３５ａ、３５Ａ～３５Ｌ　スロット

Claims

　回転軸を中心として回転する第１ローター及び第２ローターと、
　前記第１ローターと前記第２ローターとの間に配置されるとともに前記回転軸の周囲を取り囲む環状の構造体であり、３×ｎ個のスロットを有するステーターと、
　それぞれの前記スロットに配置される複数の巻線と、を含み、
　数式２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）のｍ及びｎを固定し、ｋを変更することにより得られる偶数の群であって、３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数及び前記最小の偶数の倍数を含む群を除外した群の中から選択された２つの偶数が、それぞれ前記第１ローター及び前記第２ローターの磁極の数となることを特徴とする電動機。
　ここで、ｍ、ｎ、ｋは１以上の整数、ｍの最大値は３×ｎ－１。
　前記ステーターの巻線には、前記第１ローターを駆動するための電流と、前記第２ローターを駆動するための電流とを重畳して合成した電流が与えられる請求項１に記載の電動機。
　前記第１ローターを駆動するための電流と、前記第２ローターを駆動するための電流とは、互いに異なる周波数及び振幅をもった電流であることを特徴とする請求項２に記載の電動機。
　前記巻線は、前記ステーターの周方向に向かって巻き回されているトロイダルコイルである請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機。
　前記第１ローターは、径方向外側に前記第１ローターの磁極を作るための磁石と係合する部分を有し、前記第２ローターは、径方向外側に前記第２ローターの磁極を作るための磁石と係合する部分を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機。
　前記第１ローターと前記第２ローターとは、前記ステーターを挟んで前記回転軸の手前から奥に向かって互いに平行に配列されている請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機。
　前記ステーターは、径方向外側と径方向内側との間で前記スロットの部分の外周円弧の長さと内周円弧の長さとが同一である請求項６に記載の電動機。
　回転軸を中心として回転するとともに、磁極を作る磁石及び前記磁石と係合する部分を径方向外側に有する第１ローター及び第２ローターと、
　前記第１ローターと前記第２ローターとの間に配置されるとともに前記回転軸の周囲を取り囲む環状の構造体であり、３×ｎ個のスロットを有するステーターと、
　それぞれの前記スロットに配置されるとともに、前記ステーターの周方向に向かって巻き回されているトロイダルコイルとなる複数の巻線と、を含み、
　前記第１ローターと前記第２ローターとは、前記ステーターを挟んで前記回転軸の手前から奥に向かって互いに平行に配列され、
　さらに、数式２×ｍ＋６×ｎ×（ｋ－１）のｍ及びｎを固定し、ｋを変更することにより得られる偶数の群であって、３×ｎ／２の倍数かつ最小の偶数及び前記最小の偶数の倍数を含む群を除外した群の中から選択された２つの偶数が、それぞれ前記第１ローター及び前記第２ローターの磁極の数となることを特徴とする電動機。
　ここで、ｍ、ｎ、ｋは１以上の整数、ｍの最大値は３×ｎ－１。