特許 7665489 回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-11

(45)【発行日】2025-04-21

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/14 20060101AFI20250414BHJP

   H02K 1/276 20220101ALI20250414BHJP

【ＦＩ】

H02K21/14 M

H02K1/276

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021177727

(22)【出願日】2021-10-29

(65)【公開番号】P2023066881

(43)【公開日】2023-05-16

【審査請求日】2024-03-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平本 健二

(72)【発明者】

【氏名】難波 雅史

(72)【発明者】

【氏名】米澤 紀男

(72)【発明者】

【氏名】浦田 信也

(72)【発明者】

【氏名】西嶋 大和

(72)【発明者】

【氏名】服部 宏之

【審査官】加藤 啓

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－２４２４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２０４５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第１０１７１０１４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６０５９２３７（ＣＮ，Ａ）

【文献】独国実用新案第２０２０１７００７２５９（ＤＥ，Ｕ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ２１／１４

Ｈ０２Ｋ １／２７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

極対数ｐの３相コイルが配置され、スロット数Ｚ１のスロットを有するステータと、
前記ステータに対して相対的に回転可能であり、互いに分離して配置された第１ロータ及び第２ロータと、を備え、
前記第１ロータは、極対数Ｚ２の磁極及び極対数Ｚ３の磁極を有すると共に、前記第２ロータは、極対数Ｚ２の磁極及び極対数Ｚ３の磁極を有し、
前記極対数ｐ、前記スロット数Ｚ１、前記極対数Ｚ２及び前記極対数Ｚ３は、
Ｚ２＝Ｚ１±Ｚ３
Ｚ３＝ｐ
の条件を満たし、
前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位相角を変化させることが可能なことを特徴とする回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機であって、
前記第１ロータ及び前記第２ロータは、それぞれロータ外径部に前記極対数Ｚ２の磁極とロータ内径部に前記極対数Ｚ３の磁極を有することを特徴とする回転電機。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の回転電機であって、
前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位相角を変化させることで、ロータ外径部の前記極対数Ｚ２の磁極とロータ内径部の前記極対数Ｚ３の磁極の磁束成分の振幅を変化させることが可能なことを特徴とする回転電機。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記第１ロータの前記極対数Ｚ３の磁極の着磁方向は前記第２ロータの前記極対数Ｚ３の磁極の着磁方向と同方向であるとき、前記第１ロータの前記極対数Ｚ２の磁極の着磁方向は前記第２ロータの前記極対数Ｚ２の磁極の着磁方向と逆方向であることを特徴とする回転電機。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
ロータ外径部の前記極対数Ｚ２の磁極は、ロータ周方向に磁化方向が向けられたスポーク状に配置されていることを特徴とする回転電機。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の回転電機であって、
機械的機構又は前記ステータに対するステータコイル電流のベクトル制御により前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位相角を変化させることが可能なことを特徴とする回転電機。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載の回転電機であって、
低速回転域では起電力の高調波成分が大きくなり、前記低速回転域より高速な高速回転域では起電力の基本波成分が大きくなるように前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位相角を変化させることが可能なことを特徴とする回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的な回転電機では、ロータ磁力を増大させることによってモータの最大トルクを増加させることができる。しかしながら、発生する誘起電圧も増大し、モータ制御の上限電圧を超えてしまい、高速回転ができなくなる。

【0003】

そこで、回転子の界磁用磁石を第１の界磁用磁石とこれに対して相対回転ができる第２の界磁用磁石から構成し、界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界磁用磁石に対して回転子の回転に伴い変化させる機構を設けた構成が開示されている（特許文献１）。当該機構において低回転時には第１と第２の界磁用磁石の異なる極性の磁極を並ばせることで、回転の上昇に伴い遠心力によりガバナが動き、第２の界磁用磁石に相対回転力を付与することができる。

【0004】

また、極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子を軸方向に二分割し、回転子のトルク方向に応じて二分割された回転子の一方を二分割された回転子の他方との相対的な軸方向位置を変化させ、或いは回転子のトルク方向に応じて界磁用磁石の合成した磁極の位相を二分割された回転子の他方の磁極に対して変化させる構成が開示されている（特許文献２）。

【0005】

また、内周側永久磁石を具備する内周側回転子及び外周側永久磁石を具備する外周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な回動手段と、外周側回転子に対して一体回転可能に設けられた第１部材と、内周側回転子に対して一体回転可能に設けられるとともに第１部材とで圧力室を内周側回転子の内側に画成する第２部材とを設け、圧力室への作動流体の供給で内周側回転子と外周側回転子との間の相対的な位相を変更する構成が開示されている（特許文献３）。

【0006】

さらに、周方向に沿って複数箇所にステータコイルが配置されたステータと、ステータに対して回転可能であり、回転軸方向に分離して配置された第１ロータと第２ロータと、を備え、第１ロータに対する第２ロータの相対位相差であるロータ間の位相を遷移させるようにステータコイルの電流をベクトル制御する回転電機制御システムが開示されている（特許文献４）。当該構成では、第１ロータと第２ロータとの磁性が同相（同極）の状態と逆相（逆極）の状態とを切り替えることで、低速時は同相として最大トルクを増加させ、高速時は逆相として誘起電圧を低下させることが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平１１－６９７４３号公報

【文献】特開２００２－２６２５３４号公報

【文献】特開２００７－２４４０４０号公報

【文献】特開２０１４－２０４５１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

従来技術によれば、２つのロータの相対位相角を変化させて、各ロータの磁石をロータ内に短絡、又はコイルに鎖交する磁束を相殺させることで、磁石磁束を抑制することができる。しかしながら、磁石磁束を増加することはできない。そのため、モータの相対位相角を変化させることで、高回転まで出力可能にはなるがトルクを増加することはできない。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の１つの態様は、極対数ｐの３相コイルが配置され、スロット数Ｚ１のスロットを有するステータと、前記ステータに対して相対的に回転可能であり、互いに分離して配置された第１ロータ及び第２ロータと、を備え、前記第１ロータ及び前記第２ロータは、極対数Ｚ２の磁極及び極対数Ｚ３の磁極をそれぞれ有し、前記極対数ｐ、前記スロット数Ｚ１、前記極対数Ｚ２及び前記極対数Ｚ３は、Ｚ２＝Ｚ１±Ｚ３，Ｚ３＝ｐの条件を満たし、前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位相角を変化させることが可能なことを特徴とする回転電機である。

【0010】

ここで、前記第１ロータ及び前記第２ロータは、それぞれロータ外径部に前記極対数Ｚ２の磁極とロータ内径部に前記極対数Ｚ３の磁極を有することが好適である。

【0011】

また、前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位相角を変化させることで、ロータ外径部の前記極対数Ｚ２の磁極とロータ内径部の前記極対数Ｚ３の磁極の磁束成分の振幅を変化させることが可能なことが好適である。

【0012】

また、前記第１ロータの前記極対数Ｚ３の磁極の着磁方向は前記第２ロータの前記極対数Ｚ３の磁極の着磁方向と同方向であるとき、前記第１ロータの前記極対数Ｚ２の磁極の着磁方向は前記第２ロータの前記極対数Ｚ２の磁極の着磁方向と逆方向であることが好適である。

【0013】

また、ロータ外径部の前記極対数Ｚ２の磁極は、ロータ周方向に磁化方向が向けられたスポーク状に配置されていることが好適である。

【0014】

また、機械的機構又は前記ステータに対するステータコイル電流のベクトル制御により前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位相角を変化させることが可能なことが好適である。

【0015】

また、低速回転域では起電力の高調波成分が大きくなり、前記低速回転域より高速な高速回転域では起電力の基本波成分が大きくなるように前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位相角を変化させることが可能なことが好適である。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、高トルク及び高速回転が可能な回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態における回転電機システムの構成を示す図である。

【図2】第１の実施の形態における第１ロータの磁極の構成を示す図である。

【図3】第１の実施の形態における第２ロータの磁極の構成を示す図である。

【図4】第１の実施の形態における相対位相角（スキュー角）と無負荷逆起電圧との関係を示す図である。

【図5】第１の実施の形態における相対位相角（スキュー角）と無負荷逆起電圧振幅との関係を示す図である。

【図6】第２の実施の形態における第２ロータの磁極の構成を示す図である。

【図7】第２の実施の形態における相対位相角（スキュー角）と無負荷逆起電圧振幅との関係を示す図である。

【図8】第３の実施の形態における第１ロータの磁極の構成を示す図である。

【図9】第３の実施の形態における第２ロータの磁極の構成を示す図である。

【図10】第３の実施の形態における相対位相角（スキュー角）と無負荷逆起電圧振幅との関係を示す図である。

【図11】第１及び第３の実施の形態におけるｑ軸磁気回路を説明する図である。

【図12】第３の実施の形態における回転電機システムの回転数とトルクとの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態における回転電機システム１００は、図１に示すように、回転電機１０２、駆動回路１０４、電源１０６及び制御装置１０８を含んで構成される。回転電機システム１００は、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等に搭載される。回転電機システム１００は、駆動力を発生させるモータとして使用可能であると共に、発電機、モータ及び発電機の両方の機能をもつモータジェネレータとしても使用可能である。

【0019】

回転電機１０２は、筐体１０、ステータ１２、回転軸１４、第１ロータ１６、第２ロータ１８、ロック機構２０、軸受２２及び回転角センサ２４を含んで構成される。なお、軸受２２を設けず、回転軸１４に対して第２ロータ１８を摺動させるような構成としてもよい。本実施の形態では、センサレス制御として１つの回転角センサ２４のみを設けた構成としたが、第１ロータ１６及び第２ロータ１８のそれぞれに回転角センサ２４を設けた構成としてもよい。

【0020】

回転電機１０２は、制御装置１０８に制御される駆動回路１０４によって、電源１０６から供給される電力を用いて回転軸１４に対して駆動力を発生させる。また、回転軸１４に与えられた回転エネルギーを駆動回路１０４によって電力に変換して電源１０６へ回生させる。駆動回路１０４は、電源１０６からの電力を交流に変換するインバータを含んで構成することができる。電源１０６は、例えば二次電池を含む蓄電システムを含んで構成することができる。

【0021】

筐体１０は、回転電機１０２を機械的に支持するための構成である。筐体１０内に、ステータ１２、回転軸１４、第１ロータ１６、第２ロータ１８、ロック機構２０、軸受２２及び回転角センサ２４が収納される。

【0022】

ステータ１２は、ステータコアとステータコイルを備える。ステータコアは、電磁鋼板を回転軸１４の軸方向に積層した積層体からなる中空円筒形状の部材である。ただし、ステータコアを構成する材料は、電磁鋼板に限定されるものではなく、アモルファス金属、ナノ結晶軟磁性材料、圧粉磁芯等の磁性体とすることができる。ステータコイルは、ステータコアの内周面に設けられた複数のスロットに配置されたコイルである。駆動回路１０４を介して電源１０６からステータコイルに電流を流すことによって、ステータコイルに磁場を発生させることができる。

【0023】

回転軸１４には、第１ロータ１６及び第２ロータ１８が軸方向に沿って間隔をおいて配置される。本実施の形態における回転電機システム１００では、２つに分割された第１ロータ１６ａ，１６ｂの間に第２ロータ１８が配置される。

【0024】

第１ロータ１６ａ，１６ｂは、回転軸１４に固定されている。また、第２ロータ１８は、回転軸１４に対して回転方向において移動可能に設置されている。すなわち、第２ロータ１８は、回転軸１４に対して相対的に回転可能とされている。例えば、第２ロータ１８は、軸受２２を介して回転軸１４に取りつけられており、軸受２２によって回転軸１４に対して回転可能とされている。

【0025】

さらに、第２ロータ１８は、回転軸１４に対して固定できるようにロック機構２０が設けられる。例えば、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８との間にギアを設け、ロックピンを用いたロック機構２０によって回転軸１４に対して第２ロータ１８が回転しないようにロックすることが可能な構成とされている。ただし、第２ロータ１８に設けられるロック機構は、これに限定されるものではなく、第２ロータ１８を回転軸１４に固定できる機構を有するものであればよい。

【0026】

回転電機システム１００の通常の運転時は、ロック機構２０によって第２ロータ１８を回転軸１４に対して回転しないような状態として、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８の両方が回転軸１４の回転に寄与する状態とする。一方、界磁調整時は、ロック機構２０を開放して第２ロータ１８を回転軸１４に対して回転可能として、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に対して第２ロータ１８を相対的に回転させ、周方向の位置を調整することで、ロータ全体としての界磁を調整することができる。

【0027】

このような構成において、ロック機構２０を結合状態として回転軸１４に対して第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８が回転しない状態（通常運転状態）でステータ１２のステータコイルに電流を流して回転磁界を形成することでステータ１２に対して回転軸１４を回転させる出力トルクを発生させることができる。また、逆に、回転軸１４の回転エネルギーをステータ１２のステータコイルに流れる電流に変換して回生させることができる。

【0028】

また、ロック機構２０を開放状態して回転軸１４に対して第２ロータ１８が回転可能な状態（調整状態）でステータ１２のステータコイルに電流を流して回転磁界を形成することで、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）から回転軸１４へ出力トルクを発生させつつ、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８との磁極の相対位相角（スキュー角）を調整することができる。

【0029】

このとき、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８に回転角センサ２４を設け、回転角センサ２４から出力される第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の回転角及び第２ロータ１８の回転角を受けた制御装置１０８によって磁極の相対位相角（スキュー角）の調整を行う。すなわち、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８の磁極の相対位相角（スキュー角）を調整する場合、まずロック機構２０を開放状態にして回転軸１４に対して第２ロータ１８が回転可能な状態（調整状態）とする。調整状態において、ステータ１２のステータコイルの電流を流すことによって第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８との磁極の相対位相角（スキュー角）を変更する。そして、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８との相対位相角（スキュー角）が所望の値となった状態でロック機構２０を結合状態にして回転軸１４に第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８が固定された状態に戻すことができる。なお、ステータ１２のステータコイルに流す電流はいわゆるベクトル制御することが好適である。

【0030】

なお、第１ロータ１６と第２ロータ１８との相対的位相（スキュー角）を調整する方法は、特に限定されるものでなく、第１ロータ１６や第２ロータ１８を相対的に回転させるためのアクチュエータ等の機械的機構を設けた構成としてもよい。

【0031】

第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）は、回転軸１４に固定される基部と、基部の外周側に電磁鋼板を軸方向に積層した積層体を備える。ただし、積層体を構成する材料は、電磁鋼板に限定されるものではなく、アモルファス金属、ナノ結晶軟磁性材料、圧粉磁芯等の磁性体とすることができる。当該積層体には、複数の第１磁石及び第２磁石がそれぞれ周方向に沿って配置されている。

【0032】

本実施の形態では、ステータ１２の内周壁に２４個のスロットを等間隔（等角度）に設けて３相のステータコイルを分布巻線として配置した場合、３相のステータコイルに正弦波電流を通電すると８極の基本波回転磁界が形成される。また、基本波回転磁界とは逆方向に回転する４０極の高調波回転磁界（５次高調波回転磁界）も併せて形成される。

【0033】

第１ロータ１６(１６ａ，１６ｂ)は、図２の部分断面図に示すように、周方向に沿って等間隔に配置された第１磁石３０及び第２磁石３２を備える。図２において、第１磁石３０及び第２磁石３２の磁極の方向をそれぞれＳ極からＮ極に向かう矢印で示している。

【0034】

第１磁石３０として、第１ロータ１６の外周（ロータ周方向）に沿って等間隔（等角度）に４０極の磁極が設けられる。また、第２磁石３２として、第１ロータ１６の外周に沿って等間隔（等角度）に８極の磁極が設けられる。本実施の形態の回転電機システム１００では、第１磁石３０が第１ロータ１６の最外周であるロータ外径部に配置され、第１磁石３０の内側のロータ内径部に第２磁石３２が配置された構成としている。ただし、これに限定されるものではなく、第１磁石３０と第２磁石３２との配置を入れ替えてもよい。

【0035】

第２ロータ１８は、電磁鋼板を軸方向に積層した積層体を備える。ただし、積層体を構成する材料は、電磁鋼板に限定されるものではなく、アモルファス金属、ナノ結晶軟磁性材料、圧粉磁芯等の磁性体とすることができる。第２ロータ１８は、図３の部分断面図に示すように、当該積層体の周方向に沿って等間隔に配置された第１磁石３４及び第２磁石３６を備える。図３において、第１磁石３４及び第２磁石３６の磁極の方向をそれぞれＳ極からＮ極に向かう矢印で示している。

【0036】

本実施の形態では、第２ロータ１８では、第１ロータ１６と同様に第１磁石３４及び第２磁石３６が配置される。すなわち、第１磁石３４として、第２ロータ１８の外周に沿って等間隔（等角度）に４０極の磁極が設けられる。また、第２磁石３６として、第２ロータ１８の外周に沿って等間隔（等角度）に８極の磁極が設けられる。本実施の形態では、第１磁石３４が第２ロータ１８の最外周に配置され、第１磁石３４の内側に第２磁石３６が配置された構成としている。ただし、これに限定されるものではなく、第１磁石３４と第２磁石３６との配置を入れ替えてもよい。

【0037】

以下、第１ロータ１６及び第２ロータ１８における８極の第２磁石３２及び第２磁石３６が形成する空間磁界を基本波、４０極の第１磁石３０及び第１磁石３４が形成する空間磁界を高調波（５次高調波）として記載する。

【0038】

また、第１ロータ１６に対して第２ロータ１８を相対的に回転させ、第１磁石３０と第１磁石３４及び第２磁石３２と第２磁石３６の磁極の方向が一致する状態を第１ロータ１６と第２ロータ１８との相対位相角（スキュー角）が０と定義する。

【0039】

図４（ａ）～図４（ｃ）は、相対位相角（スキュー角）がそれぞれ０、４５°及び９°における電気角に対する無負荷逆起電圧の変化を示す。図４（ａ）に示すように、相対位相角（スキュー角）が０のときには、第１ロータ１６及び第２ロータ１８において第１磁石３０と第１磁石３４及び第２磁石３２と第２磁石３６の着磁方向が同一である。したがって、基本波及び５次高調波の両方が最大の振幅で変動する。図４（ｂ）に示すように、相対位相角（スキュー角）が４５°のときには、第１ロータ１６及び第２ロータ１８において第１磁石３０と第１磁石３４及び第２磁石３２と第２磁石３６の着磁方向がそれぞれ逆方向となる。したがって、基本波及び５次高調波の両方がほぼ０となる。

【0040】

これらに対して、図４（ｃ）に示すように、相対位相角（スキュー角）が９°のときには、第１ロータ１６及び第２ロータ１８において第１磁石３０と第１磁石３４の着磁方向は逆方向となるが、第２磁石３２と第２磁石３６の着磁方向は逆方向にならない。その結果、５次高調波はほぼ０となるが、基本波はある程度の振幅で変動する。

【0041】

図５は、第１ロータ１６と第２ロータ１８の相対位相角（スキュー角）に対する無負荷逆起電圧振幅の関係を示す。相対位相角（スキュー角）が０のときは、基本波及び５次高調波における無負荷逆起電圧振幅はそれぞれ極大値を示し、回転電機システム１００全体として高トルクを出力することができる。相対位相角（スキュー角）が９°のときは、基本波はある程度の無負荷逆起電圧振幅を示すが、５次高調波に対する無負荷逆起電圧振幅はほぼ０となる。したがって、回転電機システム１００全体として出力トルクを制限することができる。さらに、相対位相角（スキュー角）が４５°になると、基本波及び５次高調波のいずれにおいても無負荷逆起電圧振幅はほぼ０となる。したがって、回転電機システム１００全体として出力トルクをほぼ０にすることができる。

【0042】

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態における回転電機システム１００では、図６の部分断面図に示すように、第２ロータ１８の第１磁石３４の磁極の着磁方向を第１の実施の形態における第２ロータ１８の第１磁石３４と逆向きに配置した構成とする。図６において、第１磁石３４及び第２磁石３６の磁極の方向をそれぞれＳ極からＮ極に向かう矢印で示している。他の構成については、第１の実施の形態における回転電機システム１００と同様とする。

【0043】

図７は、本実施の形態における第１ロータ１６と第２ロータ１８の相対位相角（スキュー角）に対する無負荷逆起電圧振幅の関係を示す。相対位相角（スキュー角）が０のときは、基本波の無負荷逆起電圧振幅は極大値を示すが、５次高調波に対する無負荷逆起電圧振幅は極小値となりほぼ０を示す。相対位相角（スキュー角）が４５°では、基本波の無負荷逆起電圧振幅は極小値となりほぼ０を示すが、５次高調波に対する無負荷逆起電圧振幅は極大値を示す。また、相対位相角（スキュー角）が３６°において、基本波及び５次高調波の無負荷逆起電圧振幅の合計は最小値を示す。

【0044】

本実施の形態によれば、第１ロータ１６と第２ロータ１８の相対位相角（スキュー角）を調整することによって、基本波と５次高調波の無負荷逆起電圧振幅をそれぞれ単独で最大にすることができる。したがって、回転電機システム１００の出力トルクの制御性を高めることができる。

【0045】

なお、本実施の形態のように第２ロータ１８の第１磁石３４の着磁方向を変更することによって第１ロータ１６と第２ロータ１８とにおいて磁場の分布が変化するため、第１ロータ１６及び第２ロータ１８の各々において形状や構成の最適化を行うことが好適である。第１ロータ１６と第２ロータ１８を異なる形状や構成に最適化することで回転電機システム１００の性能をより高めることができる。

【0046】

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態における回転電機システム１００では、図８及び図９の部分断面図に示すように、第１ロータ１６及び第２ロータ１８の第１磁石３０及び第１磁石３４が周方向に磁化方向が向けられたスポーク状に配置される。図８及び図９において、第１磁石３０、第２磁石３２、第１磁石３４及び第２磁石３６の磁極の方向をそれぞれＳ極からＮ極に向かう矢印で示している。

【0047】

なお、本実施の形態では、第１ロータ１６の第１磁石３０と第２ロータ１８の第１磁石３４において着磁が逆方向となるように構成している。

【0048】

図１０は、本実施の形態における第１ロータ１６と第２ロータ１８の相対位相角（スキュー角）に対する無負荷逆起電圧振幅の関係を示す。第２の実施の形態と同様に、相対位相角（スキュー角）が０のときは、基本波の無負荷逆起電圧振幅は極大値を示すが、５次高調波に対する無負荷逆起電圧振幅は極小値となりほぼ０を示す。相対位相角（スキュー角）が４５°では、基本波の無負荷逆起電圧振幅は極小値となりほぼ０を示すが、５次高調波に対する無負荷逆起電圧振幅は極大値を示す。また、相対位相角（スキュー角）が３６°において、基本波及び５次高調波の無負荷逆起電圧振幅の合計は最小値を示す。

【0049】

図１１に、第１及び第２の実施の形態における回転電機システム１００と第３の実施の形態における回転電機システム１００の磁気回路の違いを示す。図１１において、ｑ軸電流磁束を破線矢印で示している。なお、図１１では第１ロータ１６について図示したが、第２ロータ１８についても同様である。

【0050】

第１及び第２の実施の形態における回転電機システム１００では、図１１（ａ）に示すように、基本波を使用する際にｑ軸磁気回路上に第１磁石３０（又は第１磁石３４）が配置されているため、第１ロータ１６及び第２ロータ１８における磁気抵抗が高い。その結果、ｑ軸電流磁束が比較的小さくなり、基本波を使用する際にリラクタンストルクを十分に活用できない。

【0051】

これに対して、第３の実施の形態における回転電機システム１００では、図１１（ｂ）に示すように、基本波を使用する際にｑ軸磁気回路上に第１磁石３０（又は第１磁石３４）が配置されておらず、第１磁石３０（又は第１磁石３４）の間の電磁鋼板（又は、アモルファス金属、ナノ結晶軟磁性材料、圧粉磁芯等の磁性体）を磁束が通過する。したがって、第１ロータ１６及び第２ロータ１８における磁気抵抗が第１及び第２の実施の形態における回転電機システム１００に比べて低くなる。その結果、ｑ軸電流磁束が第１及び第２の実施の形態における回転電機システム１００に比べて大きくなり、基本波を使用する際にリラクタンストルクを十分に活用することができ、基本波駆動時において出力トルクを増大させることができる。

【0052】

図１２は、第３の実施の形態における回転電機システム１００において相対位相角（スキュー角）により基本波と５次高調波の切り替えを行ったときの回転数と出力トルクとの関係を計算した結果を示す。図１２では、相対位相角（スキュー角）を０としてステータ１２のステータコイルに第１ロータ１６及び第２ロータ１８の回転と同期する駆動周波数の３相電流を流したときの特性（基本波駆動時）と、相対位相角（スキュー角）を４５°としてステータ１２のステータコイルに第１ロータ１６及び第２ロータ１８の回転に対して５倍の駆動周波数の３相電流を流したときの特性（５次高調波駆動時）を示している。

【0053】

図１２の計算結果によれば、低速回転域では起電力の高調波成分が大きくなり、低速回転域より高速な高速回転域では起電力の基本波成分が大きくなるように第１ロータ１６と第２ロータ１８との相対位相角（スキュー角）を変化させることによって、低速回転時における高出力トルクと、高速回転時における高出力が両立できることが確認できる。

【0054】

なお、５次高調波の回転磁界の回転方向は、基本波の回転磁界の回転方向とは逆になるので、５次高調波による駆動時におけるステータ１２への電流指令値の回転方向は基本波による駆動時におけるステータ１２への電流指令値の回転方向とは逆方向となる。また、基本波による駆動時における最高回転数における駆動周波数を駆動周波数の上限とすると、５次高調波による駆動時の場合には基本波による駆動時に対して１／５の回転数までの駆動となる。

【0055】

また、第１～第３の実施の形態における回転電機システム１００では、ステータ１２に２４個のスロットを設けて８極の３相磁界を形成し、第１ロータ１６及び第２ロータ１８において８極の基本波と４０極の高調波（５次高調波）を切り替える構成としたがこれに限定されるものではない。すなわち、ステータのスロット数Ｚ１、３相コイルの極対数ｐ、第１磁石３０及び第１磁石３４の極対数Ｚ２、第２磁石３２及び第２磁石３６の極対数Ｚ３が以下の条件を満たせばよい。

【0056】

［数１］
Ｚ２＝Ｚ１±Ｚ３
Ｚ３＝Ｐ

【0057】

なお、上記第１～第３の実施の形態では、ステータのスロット数Ｚ１＝２４、３相コイルの極対数ｐ＝４、第１磁石３０及び第１磁石３４の極対数Ｚ２＝２０、第２磁石３２及び第２磁石３６の極対数Ｚ３＝４である。

【0058】

以上のように、上記実施の形態における回転電機システム１００によれば、第１ロータ１６及び第２ロータ１８の相対位相角（スキュー角）を調整することで、第１ロータ１６及び第２ロータ１８により形成される界磁磁束のギャップ中の磁束密度分布において基本波と高調波を切り換えることができる。これによって、高調波を増加させ、ステータ１２のステータコイルに供給する３相電流の周波数を第１ロータ１６及び第２ロータ１８の同期周波数に対して増加させることで磁気ギア効果により回転電機システム１００を高い出力トルクで駆動することができる。また、基本波を増加させることで、ステータ１２のステータコイルに供給する３相電流の周波数を第１ロータ１６及び第２ロータ１８の同期周波数に近づければ回転電機システム１００を高速回転させることができ、さらに高出力にもできる。また、第１ロータ１６及び第２ロータ１８の相対位相角（スキュー角）を調整することで無負荷逆起電圧を抑制することもできる。

【符号の説明】

【0059】

１０ 筐体、１２ ステータ、１４ 回転軸、１６ 第１ロータ、１８ 第２ロータ、２０ ロック機構、２２ 軸受、２４ 回転角センサ、３０，３４ 第１磁石、３２，３６ 第２磁石、１００ 回転電機システム、１０２ 回転電機、１０４ 駆動回路、１０６ 電源、１０８ 制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】