(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
前記固定子と第１空隙を介して対向し、かつ前記固定子と相対回転可能に軸承された第１回転子と、
前記第１回転子と前記第１空隙とは異なる第２空隙を介して対向し、かつ前記第１回転子と相対回転可能に軸承された第２回転子と、
前記第２回転子に設けられた誘導形の第１部分、および前記第１回転子に設けられた第１要素を含んで構成される誘導形の第１モータユニットと、
前記第１回転子に設けられた第２部分、および前記固定子に設けられた第２要素を含んで構成される第２モータユニットと、
前記第１回転子に設けられて前記第１要素に電気接続された第３要素、および前記固定子に設けられた第３部分を含んで構成される第３モータユニットと、
前記固定子に設けられた前記第２要素に交流電流を通電する電源部と、を備え、
前記第２要素に前記交流電流が通電されると前記第２モータユニットが前記第１回転子を前記固定子に対して回転駆動し、前記第３モータユニットが発電機となって前記第３要素に交流電圧を誘起し、前記交流電圧が前記第１要素に印加されて前記第１モータユニットが前記第２回転子を前記第１回転子に対して同じ回転方向に回転駆動する、
ことを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項２】
請求項１において、前記固定子は円筒状をなし、前記固定子および前記第１回転子が前記固定子の半径方向に並べて同軸配置され、前記第２モータユニットと前記第３モータユニットの少なくとも一部が軸長方向で互いに重なっており、
あるいは、前記固定子および前記第１回転子が軸長方向に並べて同軸配置され、前記第２モータユニットと前記第３モータユニットの少なくとも一部が前記固定子の径方向で互いに重なっていることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項３】
請求項２において、前記第２モータユニットの前記第２要素と前記第３モータユニットの前記第３要素とは互いに異なる極数を有することを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記第２モータユニットは、前記第２部分を磁石形回転子とした同期モータであることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記第２モータユニットは、前記第２部分を巻線形回転子とした巻線形誘導モータであることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分は界磁体であり、前記第１要素、前記第２要素、および前記第３要素は電機子巻線であることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項において、前記第１部分および前記第２部分は二次巻線であり、前記第１要素および前記第２要素は一次巻線であり、前記第３部分は界磁体であり、前記第３要素は電機子巻線であることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか一項において、前記第３部分は、永久磁石または電磁石を有することを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項において、前記第１要素、前記第２要素、および前記第３要素をそれぞれ三相結線したことを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項１０】
請求項１、請求項２、および請求項３を引用しない請求項４〜９のいずれか一項において、前記第１要素、前記第２要素、および前記第３要素をそれぞれ構成する各相コイルの周方向の相の配列順が全て一致していることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項において、前記第１要素および前記第３要素をそれぞれ構成する各相コイルの構成が同じであることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項１２】
請求項１１において、前記第１要素および前記第３要素をそれぞれ構成する前記各相コイルの同相の周方向中心位置が一致していることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項において、前記第１要素および前記第３要素をそれぞれ構成する各相コイルが三相Ｙ結線または三相Δ結線されており、かつ前記第１要素と前記第３要素との間で任意の二相が入れ替えられて電気接続されていることを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項１４】
請求項１２において、前記第１要素および前記第３要素に代えて、トロイダル形状のコアに巻回形成したトロイダルコイル群を有することを特徴とする多重回転子形電動機。
【請求項１５】
請求項１４において、前記トロイダルコイル群を構成するトロイダルコイルが互いに交差する場合に、１ターン長が長いトロイダルコイルを前記コアに近い内側に配置し、１ターン長が短いトロイダルコイルを前記コアから遠い外側に配置したことを特徴とする多重回転子形電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機に関し、より詳細には、複数の回転子を有する多重回転子形電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車両では、駆動源としてエンジンおよび電動機を搭載し、エンジンによる駆動を電動機でアシストしたり、電動機単独で駆動したりできるようになっている。電動機には三相交流電動機が用いられ、インバータ装置で通電制御することにより、走行速度を可変に制御するのが一般的である。この種の車載電動機として、複数の回転子を有する多重回転子形電動機が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示される車両用変速装置は、エンジンに連結され少なくとも発電機として機能する第１回転電機と、車輪軸に連結され少なくとも電動機として機能する第２回転電機と、第１および第２回転電機をそれぞれ駆動する第１および第２駆動手段と、制御手段とを備え、車両発進時に大きなトルクを発生することを目的としている。そして、特許文献１の図１に示される第１実施形態には、第１および第２回転電機を別体で備え、それぞれ別のインバータが接続される態様が開示されている。また、特許文献１の図８に示される第３実施形態には、第１および第２回転電機部で構成される二重ロータ構造の態様が開示されている。この第３実施形態では、エンジンに連結され三相巻線が巻回された第１回転子から電力を取り出すためにブラシが用いられている。特許文献１の各態様では、車両発進時において、大きなクリープトルクを発生することができる、とされている。
【０００４】
また、特許文献２の電気式無段変速装置は、二重回転子構造を有する主モータと、出力軸のトルクを加減する副モータと、主および副インバータとを備えている。主モータは、エンジンに直結して回転する第１回転子と、車軸を駆動する第２回転子とで構成されている。第１回転子には三相巻線が設けられてインバータから電流を供給する旨が記載されており、特許文献１のブラシに相当する部材を備えることが推定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−４７３９６号公報
【特許文献２】特開平１０−４２６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１の第１実施形態では、２つの回転電機（モータユニット）を別体で備えるので、装置が大形化してコストも高くなる。このため、２つの回転電機を一体化して、小型化および低コスト化を図った２重回転子構造の電動機が特許文献１の第３実施形態および特許文献２に開示されているが、回転している巻線に電源供給するためにブラシなどの回転給電部を設けることになる。したがって、回転給電部のスペース分だけ小型化の効果が減少する。また、経年使用による回転給電部の摩耗や疲労に対してメンテナンスが必要になりランニングコストがかさむ。さらに、特許文献１および２では、２つの回転電機のそれぞれに電源用のインバータが設けられており、製造コストも増加している。
【０００７】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、複数のモータユニットを一体的に組み合わせ単一の電源部で駆動することにより、高速回転化、小型化、低コスト化、およびメンテナンスフリーを実現した多重回転子形電動機を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する請求項１に係る多重回転子形電動機の発明は、固定子と、
前記固定子と第１空隙を介して対向し、かつ前記固定子と相対回転可能に軸承された第１回転子と、前記第１回転子と前記第１空隙とは異なる第２空隙を介して対向し、かつ前記第１回転子と相対回転可能に軸承された第２回転子と、前記第２回転子に設けられた誘導形の第１部分、および前記第１回転子に設けられた第１要素を含んで構成される誘導形の第１モータユニットと、前記第１回転子に設けられた第２部分、および前記固定子に設けられた第２要素を含んで構成される第２モータユニットと、前記第１回転子に設けられて前記第１要素に電気接続された第３要素、および前記固定子に設けられた第３部分を含んで構成される第３モータユニットと、前記固定子に設けられた前記第２要素に交流電流を通電する電源部と、を備え、前記第２要素に前記交流電流が通電されると前記第２モータユニットが前記第１回転子を前記固定子に対して回転駆動し、前記第３モータユニットが発電機となって前記第３要素に交流電圧を誘起し、前記交流電圧が前記第１要素に印加されて前記第１モータユニットが前記第２回転子を前記第１回転子に対して同じ回転方向に回転駆動する、ことを特徴とする。
【０００９】
なお、本願発明で、「モータユニット」は電動機および発電機の少なくとも一方として動作可能な機能ユニットを意味する。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記固定子は円筒状をなし、前記固定子および前記第１回転子が前記固定子の半径方向に並べて同軸配置され、前記第２モータユニットと前記第３モータユニットの少なくとも一部が軸長方向で互いに重なっており、あるいは、前記固定子および前記第１回転子が軸長方向に並べて同軸配置され、前記第２モータユニットと前記第３モータユニットの少なくとも一部が前記固定子の径方向で互いに重なっていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２において、前記第２モータユニットの前記第２要素と前記第３モータユニットの前記第３要素とは互いに異なる極数を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記第２モータユニットは、前記第２部分を磁石形回転子とした同期モータであることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記第２モータユニットは、前記第２部分を巻線形回転子とした巻線形誘導モータであることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分は界磁体であり、前記第１要素、前記第２要素、および前記第３要素は電機子巻線であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記第１部分および前記第２部分は二次巻線であり、前記第１要素および前記第２要素は一次巻線であり、前記第３部分は界磁体であり、前記第３要素は電機子巻線であることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記第３部分は、永久磁石または電磁石を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれか一項において、前記第１要素、前記第２要素、および前記第３要素をそれぞれ三相結線したことを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に係る発明は、請求項１、請求項２、および請求項３を引用しない請求項４〜９のいずれか一項において、前記第１要素、前記第２要素、および前記第３要素をそれぞれ構成する各相コイルの周方向の相の配列順が全て一致していることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１に係る発明は、請求項１〜１０のいずれか一項において、前記第１要素および前記第３要素をそれぞれ構成する各相コイルの構成が同じであることを特徴とする。
【００２０】
請求項１２に係る発明は、請求項１１において、前記第１要素および前記第３要素をそれぞれ構成する前記各相コイルの同相の周方向中心位置が一致していることを特徴とする。
【００２１】
請求項１３に係る発明は、請求項１〜１２のいずれか一項において、前記第１要素および前記第３要素をそれぞれ構成する各相コイルが三相Ｙ結線または三相Δ結線されており、かつ前記第１要素と前記第３要素との間で任意の二相が入れ替えられて電気接続されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１４に係る発明は、請求項１２において、前記第１要素および前記第３要素に代えて、トロイダル形状のコアに巻回形成したトロイダルコイル群を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項１５に係る発明は、請求項１４において、前記トロイダルコイル群を構成するトロイダルコイルが互いに交差する場合に、１ターン長が長いトロイダルコイルを前記コアに近い内側に配置し、１ターン長が短いトロイダルコイルを前記コアから遠い外側に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に係る多重回転子形電動機の発明では、第２回転子と第１回転子との間に第１モータユニットが構成され、第１回転子と固定子との間に第２モータユニットおよび第３モータユニットが構成される。そして、電源部からの交流電流の通電により第２モータユニットは電動機として機能し、第１回転子を回転駆動するとともに第３モータユニットを発電機として駆動する。第３モータユニットは発電機として機能し、第１モータユニットに交流電力を供給する。これにより、第１モータユニットは電動機として機能し、第２回転子を第１回転子に対して同じ回転方向に回転駆動することができる。つまり、第２モータユニットおよび第１モータユニットの回転数を加算でき、単一構造の電動機では得られない大きな出力回転数を得ることができる。さらに、複数のモータユニットを別々に設けるのではなく複合一体化しているので、多重回転子形電動機を小型化でき、製造コストは低廉になる。
【００２５】
また、電動機で発電機を駆動することは、交流電力から機械力を得て再び交流電力に戻すことになり変換損失を伴うので一般的でないが、本発明では回転部材に非接触で交流電力を供給する手段として用いる。これにより、回転部材に交流電力を供給するブラシなどの摺動形の回転給電部が不要となり、メンテナンスフリーを実現でき、ランニングコストも低廉になる。さらに、電源部を単一のインバータ装置で実現できることから、製造コストは一層低廉になる。
【００２６】
請求項２に係る発明では、固定子および第１回転子が半径方向に並べて同軸配置され、第２モータユニットと第３モータユニットの少なくとも一部が軸長方向で互いに重なっており、あるいは、固定子および第１回転子が軸長方向に並べて同軸配置され、第２モータユニットと第３モータユニットの少なくとも一部が径方向で互いに重なっている。これにより、固定子および第１回転子のコンパクト化が可能になり、多重回転子形電動機をより一層小型化できる。
【００２７】
請求項３に係る発明では、請求項２において、第２モータユニットの第２要素と第３モータユニットの第３要素とは互いに異なる極数を有している。これにより、少なくとも一部が構造的に重なっていても、第２モータユニットの第２要素および第２部分と、第３モータユニットの第３要素および第３部分との間の電磁的な相互干渉が抑制される。したがって、多重回転子形電動機としての動作を安定化でき、また高効率化が可能になる。
【００２８】
請求項４に係る発明では、請求項２または３において、第２モータユニットは、第２部分を磁石形回転子とした同期モータとなっている。また、請求項５に係る発明では、第２モータユニットは、第２部分を巻線形回転子とした巻線形誘導モータとなっている。第２モータユニットに同期モータまたは巻線形誘導モータを用いると、第２モータユニットと第３モータユニットとの間の電磁的な相互干渉が抑制されるので、動作を安定化できる。仮に、第２モータユニットにかご形誘導モータを用いると、重なって配置される第３モータユニットからの電磁作用に影響されて、極数の概念を有さないかご形回転子の動作が不安定に陥るおそれがある。
【００２９】
請求項６に係る発明では、第１〜第３部分は界磁体とされ、第１〜第３要素は電機子巻線とされている。また、請求項７に係る発明では、第１および第２部分は二次巻線とされ、第１および第２要素は一次巻線とされ、第３部分は界磁体とされ、第３要素は電機子巻線とされている。さらに、請求項８に係る発明では、第３モータユニットの第３部分は、永久磁石または電磁石を有している。第１〜第３モータユニットの電動機としての方式や構造には自由度があり、適宜組み合わせて多重回転子形電動機を構成することができ、要求に見合った選択ができるので、小型化および製造コスト低廉化の効果が顕著になる。
【００３０】
請求項９に係る発明では、第１、第２、および第３要素をそれぞれ三相結線している。本発明は、第１〜第３要素に三相巻線を用いて構成することができ、従来の三相交流電動機や電源部としての三相インバータ装置の技術を応用できる。したがって、多重回転子形電動機の動作が安定し、コスト面でも優れる。
【００３１】
請求項１０に係る発明では、第１、第２、および第３要素をそれぞれ構成する各相コイルの周方向の相の配列順が全て一致している。これにより、３つの巻線の内部のコイル構成やコイル間の接続方法が統一されて分かりやすくかつ製造作業も容易となり、製造コストを削減できる。
【００３２】
請求項１１に係る発明では、第１要素および第３要素をそれぞれ構成する各相コイルの構成が同じになっている。また、請求項１２に係る発明では、第１要素および第３要素をそれぞれ構成する各相コイルの同相の周方向中心位置が一致している。さらに、請求項１１係る発明では、第１要素および第３要素をそれぞれ構成する各相コイルが三相Ｙ結線または三相Δ結線されており、かつ第１要素と第３要素との間で任意の二相が入れ替えられて電気接続されている。これにより、第１回転子の２つの巻線の内部のコイル構成やコイル間の接続方法が統一されて分かりやすくかつ製造作業も容易となり、加えて巻線間の電気接続の作業が容易になって製造コストを削減できる。また、巻線間の電気接続の方法を定めたことにより、確実に第２回転子の回転方向を適正化できる。
【００３３】
請求項１４に係る発明では、請求項１２において、第１要素および第３要素に代えて、トロイダル形状のコアに巻回形成したトロイダルコイル群を有している。トロイダルコイル群を構成する各トロイダルコイルは、第３部分との電磁誘導作用により第３要素と同様の交流電圧を生起するとともに、交流電圧によって電流が流れて第１要素と同様の回転磁界を形成することができる。つまり、各トロイダルコイルは第１要素および第３要素と同じ機能を有し、請求項１〜１１と同様の効果が生じる。さらに、コイルがコアに保持される保持強度が向上するので、コイルの耐遠心力強度の確保が容易となり、製造コストを低減できる。
【００３４】
請求項１５に係る発明では、トロイダルコイル群を構成するトロイダルコイルが互いに交差する場合に、１ターン長が長いトロイダルコイルをコアに近い内側に配置し、１ターン長が短いトロイダルコイルをコアから遠い外側に配置している。これにより、各トロイダルコイルのコイル線長の差が低減されて特性が揃い、多重回転子形電動機としての動作を安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態の多重回転子形電動機の構成を概念的に説明する断面図である。
【図２】第２実施形態の多重回転子形電動機の構成を概念的に説明する断面図である。
【図３】第１実施形態で、第２モータユニットの電気角３６０°に相当する第１〜第３モータユニットの構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。
【図４】第１実施形態における第１〜第３要素である第１〜第３電機子巻線の結線方法ならびに電気接続を説明する図であり、（１）は三相Ｙ結線を示し、（２）は三相Δ結線を示している。
【図５】三相Ｙ結線された第１〜第３電機子巻線の電気角３６０°分のコイル構成を例示説明する図である。
【図６】第３実施形態の多重回転子形電動機の固定子、第１回転子、および第２回転子の電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。
【図７】第３実施形態の多重回転子形電動機のバリエーションの電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。
【図８】第３実施形態およびそのバリエーションでの第２要素である第２電機子巻線およびトロイダルコイル群の結線方法および電気接続を説明する図であり、（１）は三相Ｙ結線を示し、（２）は三相Δ結線を示している。
【図９】第３実施形態で、第２回転子から固定子および第１回転子を見た場合の、三相Ｙ結線された第２電機子巻線およびトロイダルコイル群の電気角３６０°分のコイル構成を説明する図である。
【図１０】第３実施形態で、第２回転子から固定子および第１回転子を見た場合の、三相Ｙ結線されたトロイダルコイル群中のＵ−Ｖ相コイル群のコイル構成を説明する図である。
【図１１】同上トロイダルコイル群中のＶ−Ｕ相コイル群のコイル構成を説明する図である。
【図１２】同上トロイダルコイル群中のＷ−Ｗ相コイル群のコイル構成を説明する図である。
【図１３】ハイブリッド車両に搭載された第４実施形態の多重回転子形電動機の構成を概念的に説明する断面図である。
【図１４】第５実施形態の多重回転子形電動機の構成を概念的に説明する断面図である。
【図１５】第１実施形態の多重回転子形電動機の実態構成の同軸内外配置例を説明する断面図である。
【図１６】第１実施形態とはモータユニットの配置が異なる多重回転子形電動機の実態構成のタンデム配置例を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の第１実施形態の多重回転子形電動機について、図１および図３〜図５を参考にして説明する。図１は、第１実施形態の多重回転子形電動機１の構成を概念的に説明する断面図である。第１実施形態の多重回転子形電動機１は、固定子２、第１回転子３、第２回転子４、第１モータユニット５、第２モータユニット６、第３モータユニット７、および電源部８などで構成されている。多重回転子形電動機１は、軸線ＡＸを中心とする概ね軸対称形状であり、固定子２および第１回転子３は図１で軸線ＡＸの片側半分のみが示されている。
【００３７】
固定子２、第１回転子３、および第２回転子４は、半径方向の外側から内側へと記載した順序で同軸配置されている。固定子２は、図略のケースの内面に固定されている。固定子２は略円筒状であり、電磁鋼板を積層したコア２１により形成されている。
【００３８】
第１回転子３は、固定子２の内径側に第１空隙３９を介して対向配置され、図略の軸受け部により固定子２と相対回転可能に軸承されている。第１回転子３も略円筒状であり、電磁鋼板を積層した外径側の外側コア３１と、同じく電磁鋼板を積層した内径側の内側コア３７と、外側コア３１と内側コア３７とを磁気的に分離する磁気分離部３４と、により形成されている。磁気分離部３４は、例えば、非磁性材料を用いて形成することができる。あるいは、外側コア３１および内側コア３７のヨーク幅を十分広くして相互の磁気漏洩を抑制するように構成してもよい。
【００３９】
第２回転子４は、第１回転子３の内径側に第２空隙４９を介して対向配置され、図略の軸受け部により第１回転子３と相対回転可能に軸承されている。第２回転子４は略円柱状であり、電磁鋼板を積層したコア４１と、コア４１の軸線ＡＸに貫設されて一体的に回転する出力軸４５とにより形成されている。
【００４０】
第１モータユニット５は、第２回転子４に設けられた誘導形の第１部分、および第１回転子３に設けられた第１要素を含んで構成され、三相誘導電動機になっている。第１部分は、第２回転子４のコア４１にロータバーが埋め込まれて形成されたかご形回転子５５である。また、第１要素は、第１回転子３の内側コア３７に形成された凸状のティース３８に巻回形成された第１電機子巻線５１である。
【００４１】
第２モータユニット６は、第１回転子３に設けられた第２部分、および固定子２に設けられた第２要素を含んで構成され、三相同期電動機になっている。第２部分は、第１回転子３の外側コア３１に永久磁石のＮ極とＳ極が周方向に交互に配置されて形成された磁石形回転子６５（界磁体）である。また、第２要素は、固定子２のコア２１に形成された凸状のティース２２に巻回形成された第２電機子巻線６１である。
【００４２】
第３モータユニット７は、第１回転子３に設けられた第３要素、および固定子２に設けられた第３部分を含んで構成され、三相同期発電機になっている。第３要素は、第１回転子３の外側コア３１に形成された凸状のティース３２に巻回形成された第３電機子巻線７１である。また、第３部分は、固定子２のコア２１に永久磁石のＮ極とＳ極が周方向に交互に配置されて形成された界磁固定子７５（界磁体）である。後で詳述するように、第３電機子巻線７１は、第１回転子３上で第１モータユニット５の第１電機子巻線５１に電気接続されている。
【００４３】
なお、第１回転子３の磁気分離部３４により、第１モータユニット５と、第２および第３モータユニット６、７との間の電磁的な相互干渉が抑制され、互いに独立して動作するようになっている。また、多重回転子形電動機１が安定して動作するためのトルク条件を満たすように第１〜第３モータユニット５〜７が設定されている。トルク条件とは、固定子２と第１回転子３との間に発生する第２トルクが、第１回転子３と第２回転子４との間に発生する第１トルク以上となる条件である。仮にトルク条件が満たされないと、第２回転子４が回転する際に第１回転子３が踏ん張りきれずに後転してしまい、出力軸４５で所望する出力回転数が得られなくなる。
【００４４】
電源部８は、固定子２に設けられた第２モータユニット６の第２電機子巻線６１に交流電流を通電する装置である。電源部８は、直流電源装置８１、インバータ装置８２、インバータ制御部８３などにより構成されている。直流電源装置８１には、例えばバッテリを用いることができ、その出力端子をインバータ装置８２に接続して直流電圧を供給する。インバータ装置８２は、直流電圧を三相交流電圧に変換して出力し、第２電機子巻線６１に交流電流を通電する。インバータ装置８２の出力電圧の大きさ、周波数、および位相は、インバータ制御部８３で可変に制御される。
【００４５】
次に、第１実施形態と同等の動作をする第２実施形態の多重回転子形電動機１０について説明する。図２は、第２実施形態の多重回転子形電動機１０の構成を概念的に説明する断面図である。第２実施形態の多重回転子形電動機１０は、第２モータユニット６０および第３モータユニット７０が軸長方向に分離配置されている点で第１実施形態と異なり、他の部分は類似している。
【００４６】
第２実施形態で、固定子２０、第１回転子３０、および第２回転子４は、半径方向の外側から内側へと記載した順序で同軸配置されている。固定子２０は、軸長方向に並べて同軸配置された第２コア２１２および第３コア２１３により形成されている。第１回転子３０は、固定子２０の内径側に第１空隙３９を介して対向配置されている。第１回転子３０は、外径側で固定子２０の第２コア２１２に対向する第２外側コア３１２と、外径側で固定子２０の第３コア２１３に対向する第３外側コア３１３と、内径側の内側コア３７と、第２外側コア３１２および第３外側コア３１３と内側コア３７とを磁気的に分離する磁気分離部３４と、により形成されている。
【００４７】
また、第２モータユニット６０は、第１回転子３０の第２外側コア３１２に設けられた磁石形回転子６５０、および固定子２の第２コア２１２設けられた第２電機子巻線６１０を含んで構成され、三相同期電動機になっている。第３モータユニット７０は、第１回転子３０の第３外側コア３１３に設けられた第３電機子巻線７１０、および固定子２０の第３コア２１３に設けられた界磁固定子７５０を含んで構成され、三相同期発電機になっている。第３電機子巻線７１０は、第１モータユニット５の第１電機子巻線５１に電気接続されている。
【００４８】
なお、第２実施形態で、第２回転子４、第１モータユニット５、および電源部８の構成は、第１実施形態と同じである。第２実施形態では、第２および第３モータユニット６０、７０間の電磁的な相互干渉を考慮する必要性が低いので、各モータユニットを設計する際の自由度が大きい。
【００４９】
第２実施形態の多重回転子形電動機１０で、電源部８から第２電機子巻線６１０に交流電流を通電すると、第２モータユニット６０は電動機として機能し、第１回転子３０を回転駆動するとともに第３モータユニット７０を発電機として駆動する。第３モータユニット７０は発電機として機能し、第３電機子巻線７１０に交流電圧を誘起し、第１モータユニット５の第１電機子巻線５１に交流電力を供給する。これにより、第１モータユニット５は電動機として機能し、第２回転子４を第１回転子３０に対して回転駆動することができる。
【００５０】
図１に戻り、第１実施形態では、固定子２および第１回転子３が半径方向に並べて同軸配置され、第２モータユニット６と第３モータユニット７の大部分が軸長方向で互いに重なっている。また、第２モータユニット６の第２電機子巻線６１の極数Ｐ２に対して、第３モータユニット７の第３電機子巻線７１の極数Ｐ３は２倍になっている（Ｐ３＝２×Ｐ２）。これにより、第２電機子巻線６１および磁石形回転子６５と、第３電機子巻線７１および界磁固定子７５との間の電磁的な相互干渉が抑制される。したがって、軸長方向で構造的に重なっていても、第２モータユニット６および第３モータユニット７の電磁作用は独立しており、互いに独立して動作する。つまり、第１実施形態の多重回転子形電動機１は第２実施形態と同等に動作して、第１回転子３を回転駆動し、さらに、第２回転子４を第１回転子３に対して回転駆動することができる。
【００５１】
次に、第１実施形態の第１〜第３モータユニット５〜７の構成についてさらに詳述する。図３は、第１実施形態で、第２モータユニット６の電気角３６０°に相当する第１〜第３モータユニット５〜７の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。図３で、上側は外径側、下側は内径側であり、左右方向は周方向の電気角３６０°分の円弧状部分を直線状に展開表示したものである。第１実施形態で、第１〜第３モータユニット５〜７の第１〜第３電機子巻線５１、６１、７１はそれぞれ、分布巻きで三相結線され、各相複数個のコイルで構成されている。また、第２モータユニット６の第２電機子巻線６１の極数Ｐ２に対して、第３モータユニット７の第３電機子巻線７１の極数Ｐ３ならびに第１モータユニット５の第１電機子巻線５１の極数Ｐ１は２倍になっている（Ｐ３＝Ｐ１＝２×Ｐ２）。したがって、第２モータユニット６の電気角３６０°は、第３および第１モータユニット７、５の電気角７２０°に相当する。以降では、混乱を避けるために第２モータユニット６の電気角３６０°のみを用いて説明を進める。
【００５２】
図３で、最も外径側に配置される固定子２のコア２１には、電気角３６０°中に１２個の内向き凸状のティース２２が形成されている、このティース２２に第２モータユニット６の第２電機子巻線６１が巻回形成されている。第２電機子巻線６１は、内径側から順に、Ｕ相巻線（図中実線）、Ｖ相巻線（図中破線）、およびＷ相巻線（図中一点鎖線）から成っている。各相巻線は、電気角３６０°中に２個のコイルを有している。図３では、Ｕ相巻線の２個のＵ相コイル６１Ｕ１、６１Ｕ２がちょうど電気角３６０°中に収まっている。２個のＵ相コイル６１Ｕ１、６１Ｕ２はそれぞれティース２２を５個分周回して、間に１個の空いたティース２２Ａが配されている。
【００５３】
２個のＶ相コイル６１Ｖ１、６１Ｖ２は、Ｕ相よりもティース２２の４個分だけ図中の右方に配列され、Ｕ相コイル６１Ｕ１、６１Ｕ２と同様に巻回形成されている。さらに、２個のＷ相コイル６１Ｗ１（２個目は図略）は、Ｖ相よりもティース２２の４個分だけ図中の右方に配列され、Ｕ相コイル６１Ｕ１、６１Ｕ２と同様に巻回形成されている。つまり、コイル構成は各相で同じであり、配列はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順番に周方向にティース３２１の４個分ずつシフトしている。
【００５４】
また、固定子２のコア２１のヨーク部２３には、第３モータユニット７の界磁固定子７５として二対４個の永久磁石７５Ｎ１、７５Ｓ１、７５Ｎ２、７５Ｓ２が埋め込まれている。永久磁石７５Ｎ１、７５Ｓ１、７５Ｎ２、７５Ｓ２は、Ｎ極とＳ極が周方向に交互に配置されており、周方向の長さはティース２２の３個分よりもやや小さめとされている。
【００５５】
固定子２の内径側には、第１空隙３９を介して第１回転子３が配置されている。第１回転子３は、電気角３６０°中に２４個の外向き凸状のティース３２が形成された外径側の外側コア３１、２４個の内向き凸状のティース３８が形成された内径側の内側コア３７、および両コア３１、３７の間に配置された磁気分離部３４の三層構造になっている。外側コア３１のティース３２に第３モータユニット７の第３電機子巻線７１が巻回形成されている。第３電機子巻線７１の各相コイルはそれぞれティース３２を５個分周回して巻回形成されている。すなわち、外径側から順に、Ｕ相巻線（図中実線）を構成する４個のＵ相コイル７１Ｕ１〜７１Ｕ４、Ｖ相巻線（図中破線）を構成する４個のＶ相コイル７１Ｖ１〜７１Ｖ４、Ｗ相巻線（図中一点鎖線）を構成する４個のＷ相コイル７１Ｗ１〜７１Ｗ３（４個目は図略）が配置されている。
【００５６】
また、第１回転子３の外側コア３１のヨーク部３３には、第２モータユニット６の磁石形回転子６５として一対２個の永久磁石６５Ｎ、６５Ｓが埋め込まれている。永久磁石６５Ｎ、６５Ｓは周方向に配置されており、周方向の長さはティース３２の１２個分よりもやや小さめとされている。
【００５７】
一方、内側コア３７のティース３８に第１モータユニット７の第１電機子巻線５１が巻回形成されている第１電機子巻線５１は、外径側の第３電機子巻線７１に対して同一のコイル構成で内外対称に配置され、各相コイルの周方向の相の配列順、および同相の周方向中心位置が全て一致している。すなわち、内径側から順に、Ｕ相巻線（図中実線）を構成する４個のＵ相コイル５１Ｕ１〜５１Ｕ４、Ｖ相巻線（図中破線）を構成する４個のＶ相コイル５１Ｖ１〜５１Ｖ４、Ｗ相巻線（図中一点鎖線）を構成する４個のＷ相コイル５１Ｗ１〜５１Ｗ３（４個目は図略）が配置されている。
【００５８】
第１回転子３の内径側には、第２空隙４９を介して第２回転子４が配置されている。第２回転子４のコア４１内には、第１モータユニット５の第１部分５５としてのかご形回転子を構成するロータバーが埋め込まれている。
【００５９】
次に、第１〜第３電機子巻線５１、６１、７１の結線方法ならびに電気接続について、図４を参考にして説明する。図４は、第１実施形態における第１〜第３電機子巻線５１、６１、７１の結線方法ならびに電気接続を説明する図であり、（１）は三相Ｙ結線を示し、（２）は三相Δ結線を示している。第１実施形態では、三相Ｙ結線および三相Δ結線のどちらを用いてもよい。図４（１）では、第１〜第３電機子巻線５１、６１、７１はそれぞれ、中性点５１Ｎ、６１Ｎ、７１Ｎを有して三相Ｙ結線されている。第２電機子巻線６１のＵ相端子６１ＵＴ、Ｖ相端子６１ＶＴ、およびＷ相端子６１ＷＴは、電源部８のインバータ装置８２に電気接続されている。第２電機子巻線６１と第３電機子巻線７１との間は、機械的な結合を介してエネルギが伝達される。
【００６０】
また、第３電機子巻線７１と第１電機子巻線５１との間は、接続リードにより任意の二相が入れ替えられて電気接続されている。図４（１）の例では、第３電機子巻線７１のＵ相端子７１ＵＴが第１電機子巻線５１のＶ相端子５１ＶＴに電気接続され、第３電機子巻線７１のＶ相端子７１ＶＴが第１電機子巻線５１のＵ相端子５１ＵＴに電気接続され、Ｗ相端子７１ＷＴ、５１ＷＴ同士が電気接続されている。二相を入れ替えることにより、第２電機子巻線６１および第１電機子巻線５１が形成するそれぞれの回転磁界の回転方向が一致する。これにより、第１回転子３および第２回転子４を同じ回転方向に駆動できる。
【００６１】
また、図４（２）では、第１〜第３電機子巻線５１、６１、７１はそれぞれ、三相Δ結線されている。この結線方法は一般的であり詳述しないが、第３電機子巻線７１と第１電機子巻線５１との間では任意の二相が入れ替えられて電気接続されている。
【００６２】
図５は、三相Ｙ結線された第１〜第３電機子巻線５１、６１、７１の電気角３６０°分のコイル構成を例示説明する図である。図中の上段の第２電機子巻線６１では、Ｕ相巻線が例示されている。すなわち、Ｕ相端子６１ＵＴから出た導体は、第１のＵ相コイル６１Ｕ１でティース２２を５個分所定回数だけ時計回りに周回したのち、第２のＵ相コイル６１Ｕ２に渡ってティース２２を５個分所定回数だけ反時計回りに周回して中性点６１Ｎに達することを示している。図略の他相のＶ相巻線およびＷ相巻線も、周方向にティース３２の４個分ずつ順番にシフトして配置され、同じコイル構成となっている。
【００６３】
また、図中の中段の第３電機子巻線７１でも、Ｕ相巻線が例示されている。すなわち、Ｕ相端子７１ＵＴから出た導体は、第１のＵ相コイル７１Ｕ１でティース３２を５個分所定回数だけ時計回りに周回したのち、同様に第２のＵ相コイル７１Ｕ２で反時計回りに周回し、第３のＵ相コイル７１Ｕ３で時計回りに周回し、第４のＵ相コイル７１Ｕ２で反時計回りに周回して中性点７１Ｎに達することを示している。さらに、下段の第１電機子巻線５１のコイル構成は第３電機子巻線７１と同じで、第１〜第４のＶ相コイル５１Ｖ１〜５１Ｖ４の直列接続が例示されている。そして、第３電機子巻線７１と第１電機子巻線５１とで二相を入れ替えて電気接続するために、第３電機子巻線７１のＵ相端子７１ＵＴと第１電機子巻線５１のＶ相端子５１ＶＴとが電気接続されている。
【００６４】
次に、上述のように構成された第１実施形態の多重回転子形電動機１の動作について説明する。電源部８のインバータ装置８２から第２モータユニット６の第２電機子巻線６１に周波数ｆ２の三相交流電流を通電したときの同期回転数ｎ２は、極数Ｐ２を用いて
同期回転数ｎ２＝ｆ２／Ｐ２
で示される。また、第２モータユニット６ですべりｓ２が発生し得る一般的な場合を想定すると、第２モータユニット６の実際の回転数Ｎ２は、
実際の回転数Ｎ２＝ｎ２×（１−ｓ２）
で示される。この回転数Ｎ２で、第２モータユニット６は第１回転子３を固定子２に対して回転駆動する。
【００６５】
これにより、第３モータユニット７の第３電機子巻線７１が固定子２側の界磁固定子７５に対して回転駆動され、電磁誘導作用により第３電機子巻線７１に交流電圧が誘起される。この交流電圧が印加された第１モータユニット５の第１電機子巻線５１は回転磁界を形成し、回転磁界の同期回転数ｎ１は、第３および第１モータユニットの極数Ｐ３、Ｐ１を用いて、
同期回転数ｎ１＝Ｎ２×（Ｐ３／Ｐ１）
＝ｎ２×（１−ｓ２）×（Ｐ３／Ｐ１）
で示される。したがって、第１モータユニット５の実際の回転数Ｎ１は、すべりｓ１を用いて、
実際の回転数Ｎ１＝ｎ１×（１−ｓ１）
＝ｎ２×（１−ｓ２）×（Ｐ３／Ｐ１）×（１−ｓ１）
で示される。この回転数Ｎ１で、第１モータユニット６は第２回転子４を第１回転子３に対して回転駆動する。
【００６６】
このため、固定子２に対する第２回転子４の出力回転数Ｎｏｕｔは、実際の回転数Ｎ２と回転数Ｎ１を加算した値となり、
出力回転数Ｎｏｕｔ＝Ｎ２＋Ｎ１
＝ｎ２×（１−ｓ２）×｛１＋（Ｐ３／Ｐ１）×（１−ｓ１）｝
で示される。本第１実施形態では、第２モータユニット６は三相同期電動機として機能するのでｓ２＝０と考えることができ、また極数Ｐ３＝Ｐ１であり、これらを代入すると、
出力回転数Ｎｏｕｔ＝ｎ２×（２−ｓ１）
となる。つまり、本第１実施形態によれば、周波数ｆ２で駆動される単一形の電動機の２倍までの出力回転数Ｎｏｕｔを得ることができる。また、上述の動作は、第２実施形態の多重回転子形電動機１０でも同様である。
【００６７】
以上説明したように、第１および第２実施形態の多重回転子形電動機１、１０によれば、単一形の電動機の２倍までの高速回転化が可能である。また、複数のモータユニット５、６（６０）、７（７０）を別々に設けるのではなく複合一体化しているので、多重回転子形電動機１、１０を小型化でき、製造コストは低廉になる。さらに、第２モータユニット６と第３モータユニット７の大部分が軸長方向で互いに重なっており、固定子２および第１回転子３のコンパクト化が可能になり、多重回転子形電動機１をより一層小型化できる。加えて、第３モータユニット７から第１モータユニット５に非接触で交流電力を供給するので摺動形の回転給電部が不要となり、メンテナンスフリーを実現でき、ランニングコストも低廉になる。また、電源部８は、周波数ｆ２を可変とする単一のインバータ装置８２で実現できることから、製造コストは一層低廉になる。
【００６８】
また、第２モータユニット６は、第２部分を磁石形回転子６５とした三相同期モータであり、第２および第３モータユニット６、７の極数Ｐ２、Ｐ３が互いに異なるので、両モータユニット６、７間の電磁的な相互干渉が抑制され、動作が安定化する。一方、第３モータユニット７の第３部分は、永久磁石７５Ｎ１、７５Ｓ１、７５Ｎ２、７５Ｓ２により形成された界磁固定子７５とされており、小型化および製造コスト低廉化の効果が顕著になる。さらに、第１〜第３電機子巻線５１、６１、７１をそれぞれ三相結線しているので、従来の三相交流電動機や電源部８としてのインバータ装置８２の技術を応用でき、多重回転子形電動機１、１０の動作が安定し、コスト面でも優れる。
【００６９】
また、第１および〜第３電機子巻線５１、７１をそれぞれ構成する各相コイルの周方向の相の配列順が全て一致し、各相コイルの同相の周方向中心位置が一致している。さらに、各相コイルが三相Ｙ結線または三相Δ結線されており、かつ第１電機子巻線５１と第３電機子巻線７１との間でＵ相とＶ相が入れ替えられて電気接続されている。これにより、第１回転子３上の２つの電機子巻線５１、７１内のコイル構成やコイル間の接続方法が統一されて分かりやすくかつ製造作業も容易となり、加えて電機子巻線５１、７１間の電気接続の作業が容易になって製造コストを削減できる。また、電機子巻線５１、７１間の電気接続の方法を定めたことにより、確実に第２回転子４の回転方向を適正化できる。
【００７０】
次に、第３実施形態の多重回転子形電動機について説明する。第３実施形態の多重回転子形電動機は、第１実施形態の第１回転子３上の第１電機子巻線５１および第３電機子巻線７１に代えトロイダルコイル群９を有して構成され、他の部位は第１実施形態と同じである。図６は、第３実施形態の多重回転子形電動機１１の固定子２、第１回転子３００、および第２回転子４の電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。図６で、上側は外径側、下側は内径側であり、左右方向は第２モータユニット６の周方向の電気角３６０°分の円弧状部分を直線状に展開表示したものである。トロイダルコイル群９は、電気角３６０°の範囲で２４個のトロイダルコイルにより構成されている。
【００７１】
図６を図３と比較するとわかるように、第３実施形態では、第３電機子巻線７１を構成する４個のＵ相コイル７１Ｕ１〜７１Ｕ４および第１電機子巻線５１を構成する４個のＶ相コイル５１Ｖ１〜５１Ｖ４に代えて、８個のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＵＶ８（図中実線）が設けられている。同様に、第３電機子巻線７１を構成する４個のＶ相コイル７１Ｖ１〜７１Ｕ４および第１電機子巻線５１を構成する４個のＵ相コイル５１Ｕ１〜５１Ｕ４に代えて、８個のＶ−Ｕ相トロイダルコイル９ＶＵ１〜９ＶＵ８（図中破線）が設けられている。また、第３電機子巻線７１を構成する４個のＷ相コイル７１Ｗ１〜７１Ｗ３（４個目は図略）および第１電機子巻線５１を構成する４個のＷ相コイル５１Ｗ１〜５１Ｗ３（４個目は図略）に代えて、８個のＷ−Ｗ相トロイダルコイル９ＷＷ１〜９ＷＷ８（図中一点鎖線）が設けられている。
【００７２】
各トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＷＷ８は、第１回転子３００の外側コア３１および内側コア３７の両方に鎖交するように磁気分離部３４を跨って巻回形成されている。第１のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ１は、第３電機子巻線７１の第１のＵ相コイル７１Ｕ１が巻回されていた外側コア３１の一方のティース間３１１と、第１電機子巻線５１の第１のＶ相コイル５１Ｖ１が巻回されていた内側コア４７の一方のティース間３７１との間に巻回形成されている。第２のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ２は、第３電機子巻線７１の第１のＵ相コイル７１Ｕ１が巻回されていた外側コア３１の他方のティース間３１２と、第１電機子巻線５１の第１のＶ相コイル５１Ｖ１が巻回されていた内側コア３７他方のティース間３７２との間に巻回形成されている。
【００７３】
同様に、第３および第４のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ３、９ＵＶ４はそれぞれ、第３電機子巻線７１の第２のＵ相コイル７１Ｕ２が巻回されていた外側コア３１の一方および他方のティース間と、第１電機子巻線５１の第２のＶ相コイル５１Ｖ２が巻回されていた内側コア３７の一方および他方のティース間との間に巻回形成されている。第５〜第８のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ５〜９ＵＶ８も、同様に巻回形成されている。なお、第８のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ８は、紙面の制約から３６０°ずれた位置に示されている。結局、各Ｕ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＵＶ８は、外側コア３１よりも内側コア３７で周方向に４ティース分だけ図中の右方向にシフトするように巻回形成されている。
【００７４】
同様に、８個のＶ−Ｕ相トロイダルコイル９ＶＵ１〜９ＶＵ８はそれぞれ、第３電機子巻線７１のＶ相コイル７１Ｖ１〜７１Ｖ４が巻回されていた外側コア３１のティース間と、第１電機子巻線５１のＶ相コイル５１Ｖ１が巻回されていた内側コア４７のティース間との間に巻回形成されている。なお、第８のＶ−Ｕ相トロイダルコイル９ＶＵ８は、紙面の制約から３６０°ずれた位置に示されている。結局、各Ｖ−Ｕ相トロイダルコイル９ＶＵ１〜９ＶＵ８は、外側コア３１よりも内側コア３７で周方向に４ティース分だけ図中の左方向にシフトするように巻回形成されている。
【００７５】
また、８個のＷ−Ｗ相トロイダルコイル９ＷＷ１〜９ＷＷ８はそれぞれ、第３電機子巻線７１のＷ相コイル７１Ｗ１〜７１Ｗ３（４個目は図略）が巻回されていた外側コア３１のティース間と、第１電機子巻線５１のＷ相コイル５１Ｗ１〜５１Ｗ３（４個目は図略）が巻回されていた内側コア４７のティース間との間に巻回形成されている。なお、第６〜第８のＷ−Ｗ相トロイダルコイル９ＷＷ６〜９ＷＷ８は、紙面の制約から３６０°ずれた位置に示されている。結局、各Ｗ−Ｗ相トロイダルコイル９ＷＷ１〜９ＷＷ８は、外側コア３１と内側コア３７との間で概ね径方向に巻回形成されている。
【００７６】
図６に示されるように３相のトロイダルコイルは互いに交差しており、１ターン長が長いトロイダルコイルがコアに近い内側に配置され、１ターン長が短いトロイダルコイルがコアから遠い外側に配置されている。例えば、１ターン長が長いＵ−Ｖ相トロイダルコイル（９ＵＶ４、９ＵＶ５）またはＶ−Ｕ相トロイダルコイル（９ＶＵ４、９ＶＵ５）がコア３１、３７に近い最も内側に配置され、１ターン長が短いＷ−Ｗ相トロイダルコイル（９ＷＷ２、９ＷＷ３）がコア３１、３７から遠い最も外側に配置されている。これにより、各相のトロイダルコイルのコイル線長の差が低減されて特性が揃い、多重回転子形電動機としての動作を安定化できる。
【００７７】
次に、トロイダルコイル群９の機能について説明する。固定子２の界磁固定子７５の永久磁石７５Ｎ１〜７５Ｓ２から出た磁束は、固定子２のコア２１から第１回転子３の外側コア３１に到達し、各トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＷＷ８に鎖交する。ここで、第１回転子３が回転すると鎖交している磁束が変化するので、各トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＷＷ８に交流電圧が誘起されて交流電流が流れる。この交流電流により、内側コア３７に磁束が発生し、第１電機子巻線５１と同様の回転磁界を形成することができる。したがって、各トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＷＷ８は、第１実施形態の第１電機子巻線５１および第３電機子巻線７１と同等の機能を有する。
【００７８】
次に、トロイダルコイル群９の配置を変形した第３実施形態のバリエーションについて説明する。図６に示される第３実施形態では、トロイダルコイルが互いに交差して重なっているので、多重回転子形電動機が軸線方向に大形化してしまう。この対応策として、トロイダルコイル群９を巻回形成する引き回しルートを変更するバリエーションが考えられる。図７は、第３実施形態の多重回転子形電動機のバリエーションの電気角３６０°分の構成を直線状に展開して示す軸線方向視図である。図示されるように、Ｗ−Ｗ相トロイダルコイル９ＷＷ１〜９ＷＷ８を避けるように、Ｕ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＵＶ８およびＶ−Ｕ相トロイダルコイル９ＶＵ１〜９ＶＵ８を屈曲させて引き回すことができる。これにより、コイル相互の交差をなくして軸線方向の大形化を避けることができる。
【００７９】
次に、トロイダルコイル群９の結線方法について、図８を参考にして説明する。図８は、第３実施形態およびそのバリエーションでの第２電機子巻線６１およびトロイダルコイル群９の結線方法および電気接続を説明する図であり、（１）は三相Ｙ結線を示し、（２）は三相Δ結線を示している。第３実施形態では、三相Ｙ結線および三相Δ結線のどちらを用いてもよい。図８（１）および（２）で、第２電機子巻線６１が三相Ｙ結線または三相Δ結線され、インバータ装置８２に電気接続される点は第１実施形態と同じである。
【００８０】
一方、トロイダルコイル群９では、まず、同相の８個のトロイダルコイルが順次直列接続される。つまり、第１〜第８のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＵＶ８が直列接続されてＵ−Ｖ相コイル群９ＵＶＭが構成され、第１〜第８のＶ−Ｕ相トロイダルコイル９ＶＵ１〜９ＶＵ８が直列接続されてＶ−Ｕ相コイル群９ＶＵＭが構成され、第１〜第８のＷ−Ｗ相トロイダルコイル９ＷＷ１〜９ＷＷ８が直列接続されてＷ−Ｗ相コイル群９ＷＷＭが構成される。そして、図８（１）の三相Ｙ結線では、端子点９Ｔと中性点９Ｎの間に３つのコイル群９ＵＶＭ、９ＶＵＭ，９ＷＷＭが並列に結線される。また、図８（２）の三相Δ結線では、３つのコイル群９ＵＶＭ、９ＶＵＭ，９ＷＷＭが環状に結線される。
【００８１】
図９は、第２回転子４から固定子２および第１回転子３を見た場合の、三相Ｙ結線された第２電機子巻線６１およびトロイダルコイル群９の電気角３６０°分のコイル構成を説明する図である。図中の上段の第２電機子巻線６１のコイル構成は、図５で説明した第１実施形態と同じである。トロイダルコイル群９のコイル構成は錯綜して見えにくいので、図１０〜図１２に分けて再掲する。
【００８２】
図１０は、第２回転子４から固定子２および第１回転子３を見た場合の、三相Ｙ結線されたトロイダルコイル群９中のＵ−Ｖ相コイル群９ＵＶＭのコイル構成を説明する図である。図示されるように、端子点９Ｔから出た導体は、第１のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ１で所定回数だけ反時計回りに周回したのち、第２のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ２に渡って所定回数だけ時計回りに周回し、第３のＵ−Ｖ相トロイダルコイル８３に渡る。以降同様に、導体は、第３〜第８のＵ−Ｖ相トロイダルコイル９ＵＶ３〜９ＵＶ８を所定回数だけ周回したのち、中性点９Ｎに達する。
【００８３】
図１１に示されるＶ−Ｕ相コイル群９ＶＵＭのコイル構成、および図１２に示されるＷ−Ｗ相コイル群９ＷＷＭのコイル構成も、図１０のＵ−Ｖ相コイル群９ＵＶＭと概ね同様である。図１０〜図１２で、紙面の制約から一部のトロイダルコイルは３６０°ずれた位置に示されている。なお、図１０〜図１２に示す第３実施形態では、ひとつの同相トロイダルコイル群９ＵＶＭ、９ＶＵＭ、９ＷＷＭに周回方向（時計回り、反時計回り）の異なるコイルが混在している場合が例示されており、コイルの周回方向を統一しコイル間の繋ぎ方を変更することにより対処してもよい。
【００８４】
上述のように構成された第３実施形態の多重回転子形電動機の動作は、トロイダルコイル群９が第１電機子巻線５１および第３電機子巻線７１と同じ機能を果たすので、第１実施形態と同様になる。また、第１実施形態と同等の効果に加えてさらに、トロイダルコイル９ＵＶ１〜９ＷＷ８が外側コア３１および内側コア３７に跨って巻回されることにより保持強度が向上するので、耐遠心力強度の確保が容易となり、製造コストを低減できる。
【００８５】
次に、車両の走行駆動源に用いる第４実施形態の多重回転子形電動機１１について説明する。図１３は、ハイブリッド車両に搭載された第４実施形態の多重回転子形電動機１１の構成を概念的に説明する断面図である。第４実施形態の多重回転子形電動機１１の主要部は第１実施形態と同じであり、次の点が異なる。すなわち、第１回転子３はワンウェイクラッチ１９１を介してエンジン出力軸１９２に連結され、第２回転子４の出力軸４５は変速機入力軸１９３に直結されて駆動輪を駆動できるように構成されている。また、電源部８０の直流電源装置８１には車載バッテリ８１０が用いられ、インバータ装置８２０は双方向の電力変換機能を有している。
【００８６】
上述の構成で、走行駆動源として電動機１１のみを用いてハイブリッド車両を走行させることができる。このとき、ワンウェイクラッチ１９１の作用によりエンジン出力軸１９２が遊転するのでエンジンが余分な負荷にならない。また、走行駆動源として電動機１１とエンジンを併用することができる。このとき、インバータ制御部８３からの制御を調整することで、電動機１１はエンジン出力軸１９２よりも高い回転数を変速機入力軸１９３に出力でき、またトルクを付加してアシストすることができる。さらに、インバータ装置８２０を停止したエンジン単独駆動時には、電動機１１はエンジン出力軸１９２よりも大きな回転数で小さなトルクを変速機入力軸１９３に出力する。
【００８７】
一方、多重回転子形電動機１１を発電機として用い、車載バッテリ８１０を充電することができる。エンジン出力軸１９２から第１回転子３を回転駆動すると、前述したように第３モータユニット７が発電機となり第１モータユニット５が電動機となって出力軸４５を高速回転駆動できる。これに並行して第２モータユニット６を発電機として用い、第２電機子巻線６１からインバータ装置８２０に交流電力を出力して車載バッテリ８１０を充電することができる。
【００８８】
また、駆動輪に制動力が要求されるときには、走行エネルギを回生することにより車載バッテリ８１０を充電することができる。このとき、電動機１１およびエンジンはトルクを出力せず、第１モータユニット５は駆動輪から駆動される発電機となり、第１電機子巻線５１に誘起された交流電圧が第３電機子巻線７１に印加される。これにより、第３モータユニット７は電動機となって第１回転子３を回転駆動し、第２モータユニット６が発電機となって、第２電機子巻線６１からインバータ装置８２０に交流電力を出力して車載バッテリ８１０を充電する。
【００８９】
次に、第５実施形態の多重回転子形電動機１Ａについて説明する。図１４は、第５実施形態の多重回転子形電動機１Ａの構成を概念的に説明する断面図である。第５実施形態の多重回転子形電動機１Ａにおいて、固定子２Ａ、第１回転子３Ａ、および第２回転子４Ａは略同径に形成され、記載した順番で軸長方向に同軸配置されている。多重回転子形電動機１Ａは、軸線ＡＹを中心とする概ね軸対称形状であり、図１４には軸線ＡＹの片側半分のみが示されている。
【００９０】
固定子２Ａは、図略のケースの内面に固定されている。第１回転子３Ａは、固定子２の隣（図中右側）に第１空隙３９Ａを介して同軸配置され、図略の軸受け部により固定子２Ａと相対回転可能に軸承されている。第２回転子４Ａは、第１回転子３Ａの隣（図中右側）に第２空隙４９Ａを介して同軸配置され、図略の軸受け部により第１回転子３Ａと相対回転可能に軸承されている。また、第２回転子４Ａの軸心には、出力軸４５Ａが貫設されている。
【００９１】
第１モータユニット５Ａは、第２回転子４Ａに設けられた誘導形の第１部分５５Ａ、および第１回転子３Ａに設けられた第１要素５１Ａを含んで構成されている。第２モータユニット６Ａは、第１回転子３Ａに設けられた第２部分６５Ａ、および固定子２Ａに設けられた第２要素６１Ａを含んで構成されている。第３モータユニット７Ａは、第１回転子３に設けられた第３要素７１Ａ、および固定子２に設けられた第３部分７５Ａを含んで構成されている。第３要素７１Ａは、第１回転子３Ａ上で第１モータユニット５Ａの第１要素５１Ａに電気接続されている。電源部８は、固定子２Ａに設けられた第２モータユニット６Ａの第２要素６１Ａに交流電流を通電する装置であり、その構成は第１実施形態と同じである。
【００９２】
なお、第１〜第３要素５１Ａ、６１Ａ，７１Ａおよび第１〜第３部分５５Ａ、６５Ａ、７５Ａには、巻線や界磁体を適宜組み合わせて用いることができる。また、第１回転子３Ａの磁気分離部３４Ａにより、第１モータユニット５Ａと、第２および第３モータユニット６Ａ、７Ａとの間の電磁的な相互干渉が抑制され、互いに独立して動作するようになっている。さらに、多重回転子形電動機１Ａが安定して動作するためのトルク条件を満たすことは、第１実施形態と同様である。
【００９３】
第５実施形態では、第２モータユニット６Ａと第３モータユニット７Ａの大部分が固定子２Ａの径方向で互いに重なっているが、第２要素６１Ａと第３要素７１Ａとを互いに異なる極数とすることで相互干渉を抑制できる。したがって、固定子２Ａおよび第１回転子３Ａの小径化による多重回転子形電動機１Ａの小型化が可能となる。また、高速回転化やメンテナンスフリー、コスト低減の効果は第１実施形態と同様である。
【実施例１】
【００９４】
次に、概念的に説明した第１実施形態の多重回転子形電動機１の実態構成を実施例で説明する。図１５は、第１実施形態の多重回転子形電動機１の実態構成の同軸内外配置例１４を説明する断面図である。同軸内外配置例１４では、第２および第３モータユニット６、７が軸線方向で互いに重なって配置され、その内径側に第１モータユニット５が配置されている。また、図１６は、第１実施形態とはモータユニット５０、６、７の配置が異なる多重回転子形電動機の実態構成のタンデム配置例１５を説明する断面図である。タンデム配置例１５では、第２および第３モータユニット６、７が軸線方向で互いに重なって配置され、その軸線方向に並んで第１モータユニット５０が配置されている。
【００９５】
図１５に示される同軸内外配置例１４で、第２電機子巻線６１および界磁固定子７５が配設された固定子２は、ケース１９４の内面に固定されている。固定子２の内径側に、第１回転子３が配置されている。第１回転子３の外径側には磁石形回転子６５および第３電機子巻線７１が配設され、内径側には第１電機子巻線５１が配設されている。また、第１回転子３は、軸線方向両側に延びる円筒状の中間軸３Ｍを有している。中間軸３Ｍは、軸線ＡＸ方向の両側で縮径され、縮径された両側の端部３Ｍ２、３Ｍ３の外周面とケース１９４との間に一対の軸受け部３Ｍ４、３Ｍ５が配設されている。軸受け部３Ｍ４、３Ｍ５により、中間軸３Ｍはケース１９４に回転自在に軸承されている。第１回転子３の内径側に、第２回転子４が配置されている。
【００９６】
第２回転子４にはかご形回転子５５が配設され、また出力軸４５が貫設されている。出力軸４５は軸線方向両側に延在し、その両側の端部４５１、４５２はケース１９４の外部に突出している。出力軸４５の各端部４５１、４５２寄りの外周面と中間軸３Ｍの端部３Ｍ２、３Ｍ３の内周面との間に一対の軸受け部４５３、４５４が配設されている。軸受け部４５３、４５４により、出力軸４５は中間軸３Ｍに回転自在に軸承されている。なお、電源部８は、図１５では省略されている。
【００９７】
図１５の同軸内外配置例では、軸受け部３Ｍ４、３Ｍ５には第１回転子３の回転数が作用し、軸受け部４５３、４５４には第２回転子４と第１回転子３との相対回転数が作用する。つまり、軸受け部３Ｍ４、３Ｍ５、４５３、４５４に作用する回転数は、出力軸４５のケース１９４に対する出力回転数よりも小さくなり、受けるストレスが小さくなって信頼性が向上する。
【００９８】
図１６に示されるタンデム配置例１５で、第２電機子巻線６１および界磁固定子７５が配設された固定子２００はケース１９４の内面に固定されている。固定子２００の内径側に、第１回転子３０１が配置されている。第１回転子３０１の固定子２００に対向する位置の外側コア３１に、磁石形回転子６５および第３電機子巻線７１が配設されている。また、第１回転子３０１の中心には中間軸３Ｎが貫設されている。中間軸３Ｎの軸線方向の一側（図中左側）は延在し、その一端部３Ｎ１がケース１９４の外部に突出している。中間軸３Ｎの一端部３Ｎ１寄りの外周面とケース１９４との間に軸受け部３Ｎ３が配設されている。また、中間軸３Ｎの軸線方向の他側は拡径されて有底円筒部３Ｎ２となっている。有底円筒部３Ｎ２の内周面に内側コア３７および第１電機子巻線５１が配置されている。本実施例では、第１回転子３０１の外側コア３１と内側コア３７との間は十分に離隔しており、磁気分離部は不要である。
【００９９】
第１回転子３０１の内側コア３７の内径側に、第２回転子４が配置されている。第２回転子４にはかご形回転子５５が配設され、また中心には出力軸４５が貫設されている。出力軸４５の軸線方向の一側（図中右側）は延在し、その一端部４５１がケース１９４の外部に突出している。出力軸４５の一端部４５１寄りの外周面とケース１９４との間に軸受け部４５３が配設されている。出力軸４５は軸線方向の他側（図中左側）にも延在しており、その他端部４５２と中間軸３Ｎの有底円筒部３Ｎ２との間に軸受け部４５４が配設されている。中間軸３Ｎおよび出力軸４５は、軸受け部３Ｎ３、４５３、４５４の協働により、ケース１９４に回転自在に軸承されている。なお、電源部８は、図１６では省略されている。
【０１００】
図１６のタンデム配置例１５では、軸受け部３Ｎ３には第１回転子３０１の回転数が作用し、軸受け部４５４には第２回転子４と第１回転子３０１との相対回転数が作用する。そして、軸受け部４５３にはケース１９４に対する第２回転子４の出力回転数、すなわち大きな回転数が作用する。したがって、特に出力回転数を大きくしたい場合には、潤滑用のオイルを直接噴射するなどの方策により、軸受け部４５３の性能向上、および信頼性向上を図ることが好ましい。
【０１０１】
なお、各実施形態および実施例で、第１回転子３、３０、３００、３０１および出力軸４５の回転位相を検出する回転角度センサを設け、インバータ制御部７３で回転位相を参照しつつ制御を行うことが好ましい。また、第１〜第３モータユニット５〜７の第１〜第３要素および第１〜第３部分を同軸内外に配置した例を示したが、これに限定されず、各要素と各部分を軸線方向に並べた構造のモータユニットであってもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１、１０、１１、１Ａ：多重回転子形電動機
１４：同軸内外配置例    １５：タンデム配置例
２、２０、２Ａ：固定子    ２１：コア    ２１２：第２コア    ２１３：第３コア
３、３０、３００、３０１、３Ａ：第１回転子
３１：外側コア    コア３１２：第２外側コア    ３１３：第３外側コア
３４：磁気分離部    ３７：内側コア    ３９：第１空隙  ３Ｍ、３Ｎ：中間軸
４、４Ａ：第２回転子    ４５：出力軸    ４９：第２空隙
５、５０、５Ａ：第１モータユニット
５１：第１電機子巻線（第１要素）    ５１Ａ：第１要素
５１Ｕ１〜５１Ｕ４：Ｕ相コイル
５１Ｖ１〜５１Ｖ４：Ｖ相コイル
５１Ｗ１〜５１Ｗ３：Ｗ相コイル
５５：かご形回転子（第１部分）    ５５Ａ：第１部分
６、６０、６Ａ：第２モータユニット
６１、６１０：第２電機子巻線（第２要素）    ６１Ａ：第２要素
６１Ｕ１、６１Ｕ２：Ｕ相コイル
６１Ｖ１、６１Ｖ２：Ｖ相コイル
６１Ｗ１：Ｗ相コイル
６５、６５０：磁石形回転子（第２部分）    ６５Ｎ、６５Ｓ：永久磁石
６５Ａ：第２部分
７、７０、７Ａ：第３モータユニット
７１、７１０：第３電機子巻線（第３要素）    ７１Ａ：第３要素
７１Ｕ１〜７１Ｕ４：Ｕ相コイル
７１Ｖ１〜７１Ｖ４：Ｖ相コイル
７１Ｗ１〜７１Ｗ３：Ｗ相コイル
７５、７５０：界磁固定子（第３部分）    ７５Ｎ１〜７５Ｓ２：永久磁石
７５Ａ：第３部分
８：電源部
８１：直流電源装置    ８１０：車載バッテリ
８２、８２０：インバータ装置    ８３：インバータ制御部
９：トロイダルコイル群
９ＵＶＭ：Ｕ−Ｖ相コイル群    ９ＵＶ１〜９ＵＶ８：Ｕ−Ｖ相トロイダルコイル
９ＶＵＭ：Ｖ−Ｕ相コイル群    ９ＶＵ１〜９ＶＵ８：Ｖ−Ｕ相トロイダルコイル
９ＷＷＭ：Ｗ−Ｗ相コイル群    ９ＷＷ１〜９ＷＷ８：Ｗ−Ｗ相トロイダルコイル
１９１：ワンウェイクラッチ    １９２：エンジン出力軸
１９３：変速機入力軸    １９４：ケース  
【図１】
0005682426.tif 000002
【図２】
0005682426.tif 000003
【図３】
0005682426.tif 000004
【図４】
0005682426.tif 000005
【図５】
0005682426.tif 000006
【図６】
0005682426.tif 000007
【図７】
0005682426.tif 000008
【図８】
0005682426.tif 000009
【図９】
0005682426.tif 000010
【図１０】
0005682426.tif 000011
【図１１】
0005682426.tif 000012
【図１２】
0005682426.tif 000013
【図１３】
0005682426.tif 000014
【図１４】
0005682426.tif 000015
【図１５】
0005682426.tif 000016
【図１６】
0005682426.tif 000017