(57)【要約】【課題】固定子巻線と回転子巻線との間に起こる電磁気的共振を利用して回転子に回転力を誘起させ又は回転子の回転により固定子に電力を発生させる新規な電磁共振回転電機を提供する。【解決手段】複数のコイル１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗを接続した固定子巻線１１とキャパシタ１３とを有する固定子１０と、複数のコイル２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを接続した回転子巻線２１とキャパシタ２３とを有する回転子２０とから構成され、インダクタンスＬとキャパシタンスＣとの電磁気的共振現象を利用して回転子２０を回転させ又は回転子２０の回転により固定子１０に電力を発生させる電磁気共振回転電機を特徴とする。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルとキャパシタを有する固定子と、コイルとキャパシタを有する回転子とから構成されたことを特徴とする電磁共振回転電機。
【請求項２】
複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する固定子と、複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する回転子とから構成され、
前記固定子が電磁気的共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、前記回転子が電磁気的共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値としたことを特徴とする電磁共振回転電機。
【請求項３】
複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する固定子と、複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する回転子とから構成され、
前記固定子が電磁気的共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、前記回転子が電磁気的共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、
前記固定子の電磁気的共振と前記回転子の電磁気的共振とが一致するようにしたことを特徴とする電磁共振回転電機。
【請求項４】
前記固定子には駆動周波数を共振周波数とする容量のキャパシタを用い、前記回転子にはすべり周波数を共振周波数とする容量のキャパシタを用いたことを特徴とする請求項２又は３に記載の電磁共振回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの電磁共振回転電機と鉄心を有する回転電機とを備えた複合型回転電機。
【請求項６】
スロットを設けた絶縁誘電体の材料から成る固定子構造体と前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続した固定子巻線とキャパシタとを有する固定子と、スロットを設けた絶縁誘電体の材料から成る回転子構造体と前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続した回転子巻線とキャパシタとを有する回転子とから構成され、
前記固定子はその巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とを電磁気的共振状態となる値に設定し、前記回転子はその巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とを電磁気的共振状態となる値に設定し、かつ、前記固定子の電磁気的共振と前記回転子の電磁気的共振を一致させたことを特徴とする電磁共振回転電機。
【請求項７】
絶縁誘電体の材料の構造体に導電性板を軸方向に挟み込んで固定子構造部とし、前記固定子構造部にスロットを設け、前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続して固定子巻線とし、前記固定子の導電性板と固定子巻線が電気的に接続された構成から成る固定子と、絶縁誘電体の材料の構造体に導電性板を軸方向に挟み込んで回転子構造部とし、前記回転子構造部にスロットを設け、前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続して回転子巻線とし、前記回転子の導電性板と回転子巻線が電気的に接続された構成から成る回転子とから構成され、
前記固定子が電磁気的共振状態となるように前記固定子巻線のインダクタンス値と固定子のキャパシタンス値とを設定し、前記回転子が電磁気的共振状態となるように前記回転子巻線のインダクタンス値と回転子のキャパシタンス値とを設定し、かつ、前記固定子の電磁気的共振と前記回転子の電磁気的共振とを一致させたことを特徴とする電磁共振回転電機。
【請求項８】
絶縁誘電体の材料の構造体に導電性板を軸方向に挟み込んで固定子構造部とし、前記固定子構造部にスロットを設け、前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続して固定子巻線とし、前記固定子の導電性板と固定子巻線が電気的に接続され、かつ外部キャパシタンスも固定子巻線に接続された構成から成る固定子と、絶縁誘電体の材料の構造体に導電性板を軸方向に挟み込んで回転子構造部とし、前記回転子構造部にスロットを設け、前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続して回転子巻線とし、前記回転子の導電性板と回転子巻線が電気的に接続され、かつ外部キャパシタンスも前記回転子巻線に接続された構成から成る回転子とから構成され、
前記固定子が電磁気的共振状態となるように前記固定子巻線のインダクタンス値と固定子の合計のキャパシタンス値とを設定し、前記回転子が電磁気的共振状態となるように前記回転子巻線のインダクタンス値と回転子の合計のキャパシタンス値とを設定し、かつ、前記固定子の電磁気的共振と前記回転子の電磁気的共振とを一致させたことを特徴とする電磁共振回転電機。
【請求項９】
前記絶縁誘電体の材料の固定子構造体、回転子構造体それぞれに複数の金属板を軸方向に複数枚挟み込み、前記金属板のうち両端位置の金属板それぞれを端子として前記コイルに接続したことを特徴とする請求項７又は８に記載の電磁共振回転電機。
【請求項１０】
前記固定子には駆動周波数を共振周波数とする容量のキャパシタを用い、前記回転子にはすべり周波数を共振周波数とする容量のキャパシタを用いたことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の電磁共振回転電機。
【請求項１１】
請求項１〜４、６〜９のいずれかに記載の電磁共振回転電機を誘導モータとして回転駆動する回転電機駆動装置であって、
前記誘導モータをすべり周波数ベクトル制御にて駆動し、
前記回転子に流れる電流をすべり周波数になるように制御するすべり周波数制御装置を備えたことを特徴とする回転電機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交通システムにおける電動飛行機、ハイブリッド自動車・電気自動車、鉄道車や、エネルギーシステムにおける火力、水力、風力、海流発電機、さらに社会システム・家電における無人飛行機、エレベータ、エアコン等の家電機器、モータ駆動の産業装置等に利用できる電磁共振回転電機及び複合型回転電機に関連する。
【背景技術】
【０００２】
モータや発電機のような回転電機では、ＵＶＷ３相の交流電流が流れる３相のコイルを固定子に設けて、相毎にコイルを接続して３相巻線を構成している。この３相巻線を持つ回転電機の端子には外部の３相の電力変換装置を接続し、エネルギー変換を行っている（すなわち運転している）。
【０００３】
ところで、航空機や宇宙機器、さらには太陽光発電で飛行できる電動飛行機や無人飛行機は機器の重量が性能を大きく左右する。そのため、搭載するモータや発電機等の回転電機の軽量化が図られるが、機械構造を根本的に変更しないままの減量には限界がある。回転電機の重量の大部分を占めるのは金属材料であり、かつ体積割合の大部分を占めるのは鉄心である。鉄心が無くなれば金属材量はコイルのみになって、飛躍的に軽量化できる。しかし、鉄心は起磁力で生じる磁束を高めるとともに漏れ磁束を低減して有効磁束を確保する重要な役割を担うものであるため、従来の回転電機には必要不可欠なものである。そのために、従来構造の回転電機ではその軽量化に自ずと限界があった。
【０００４】
同様に、モバイル機器やロボット、電気自動車、電車等の移動体もそれに搭載している回転電機自身を運ぶため、例えば、ロボットの腕を上下させようとすると肘関節等に組み入れているモータを回転させるだけでなく回転電機を組み込んだ腕そのものを上下に動かすのにもエネルギーを必要とするため、その質量に抗して速い加減速等の応答性を求めるのにも限界がある。
【０００５】
一方、汎用モータや大容量モータには誘導タイプのモータ（誘導機）が最も多く使用されている。しかし、誘導機には原理的な課題がある。誘導機では、エアギャップ長が出力に大きく影響する。出力、効率、力率等の機器の特性を向上させるにはエアギャップ長を狭くすることが望ましいが、量産性や性能のばらつき等の製造性を考慮するとエアギャップ長はある範囲までしか狭くできない。このような二律背反の関係によって誘導機は効率や力率、高出力化において従来技術では性能限界に達していた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】松木英敏、高橋俊輔著、「ワイヤレス給電技術がわかる本」（２０１１年）
【非特許文献２】笠松・堺、「３相ワイヤレス電力伝送用コイルの検討」、平成２７年電気学会全国大会、４−１５５（２０１５）
【非特許文献３】菅澤・堺、「電磁共振モータに関する基礎研究」、平成２７年度電気学会産業応用部門大会、３−１８（２０１５）
【非特許文献４】Kurs, A. et al., “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”, Science, vol.317, No.5834, pp.83-86, 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、固定子巻線と回転子巻線との間に起こる電磁気的共振を利用して回転子に回転力を誘起させ、あるいは逆に回転子の回転に対して固定子側に電力を発生させる新規な電磁共振回転電機及び複合型回転電機を提供することを目的とする。
【０００８】
また、このような回転子を回転させあるいは固定子に電力を発生させることのできる電磁気的共振原理を利用する回転電機により、鉄心を無くして超軽量化が図れ、また誘導機のエアギャップを大きくとっても高性能化が図れる電磁共振回転電機及び複合型回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、コイルとキャパシタを有する固定子と、コイルとキャパシタを有する回転子とから構成される電磁共振回転電機を特徴とする。
【００１０】
また本発明は、複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する固定子と、複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する回転子とから構成され、電磁気的共振現象を利用して前記回転子を回転させ又は前記回転子の回転により前記固定子に電力を発生させる電磁気共振回転電機を特徴とする。
【００１１】
また本発明は、固定子は電磁気的共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、回転子も電磁気的共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、かつ、前記固定子の電磁気的共振周波数と前記回転子の電磁気的共振周波数とが一致するようにした電磁気共振回転電機を特徴とする。
【００１２】
さらに本発明は、複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する固定子と、複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する回転子とから構成される電磁気共振回転電機と鉄心を有する回転電機とを備えた複合型回転電機を特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電磁共振回転電機によれば、例えば音響学における共鳴現象と同様に比較的離れた物体間でも発生し得る電磁気的共振現象によって固定子から回転子に電力を電送するので、固定子と回転子との間のエアギャップ長を拡大しても回転力を誘起でき、誘導機として大きなエアギャップ長でも高出力を得ることができる。
【００１４】
また本発明によれば、電磁共振現象を原理としているため大量の漏れ磁束を低減して高磁気を確保するために従来不可欠であった鉄心を排除でき―この鉄心は従来では回転電機の重量を占める金属材料でかつ体積割合もほぼ占めていた―超軽量の回転電機や高効率の誘導式回転電機及び複合型回転電機が実現できる。
【００１５】
そして、本発明の電磁共振回転電機を太陽光発電で飛行できる電動飛行機や無人飛行機に搭載することによってそれらの機器重量の軽量化が図れ、同様に、モバイル機器やロボット、電気自動車、電車等の移動体でも軽量化によって動作に要するエネルギーを大幅に低減でき、速い応答も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の電磁共振回転電機の原理説明図。
【図２】上記実施の形態の電磁共振回転電機の回路図。
【図３】上記実施の形態の電磁共振回転電機の断面図。
【図４】上記実施の形態の電磁共振回転電機の要部の拡大断面図。
【図５】上記実施の形態の電磁共振回転電機の諸元表。
【図６】上記実施の形態の電磁共振回転電機の各動作周波数での固定子インダクタンス値とキャパシタンス値との表。
【図７】上記実施の形態の電磁共振回転電機の各動作周波数での回転子インダクタンス値とキャパシタンス値との表。
【図８】上記実施の形態の電磁共振回転電機の回転子における電力の周波数応答特性のグラフ。
【図９】上記実施の形態の電磁共振回転電機の各動作周波数での磁束密度分布図。
【図１０】上記実施の形態の電磁共振回転電機の各動作周波数でのすべりに対するトルク特性のグラフ。
【図１１】上記実施の形態の電磁共振回転電機の各動作周波数でのすべりに対する出力特性のグラフ。
【図１２】上記実施の形態の電磁共振回転電機の各動作周波数でのすべりに対する固定子電流特性のグラフ。
【図１３】上記実施の形態の電磁共振回転電機の各動作周波数でのすべりに対する回転子電流特性のグラフ。
【図１４】本発明の電磁共振回転電機の変形例における回転子の斜視図。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の電磁共振回転電機の原理説明図。
【図１６】上記実施の形態の電磁共振回転電機の回路図。
【図１７】上記実施の形態の電磁共振回転電機の断面図。
【図１８】上記実施の形態の電磁共振回転電機の要部の拡大断面図。
【図１９】上記実施の形態の電磁共振回転電機の諸元表。
【図２０】上記実施の形態の電磁共振回転電機のすべりに対するトルク特性のグラフ。
【図２１】上記実施の形態の電磁共振回転電機のトルク波形（すべり０．３）のグラフ。
【図２２】上記実施の形態の電磁共振回転電機のすべりに対する出力特性のグラフ。
【図２３】上記実施の形態の電磁共振回転電機のすべり０．２での回転時の磁束密度の分布図。
【図２４】上記実施の形態の電磁共振回転電機のすべりに対する回転子電流特性のグラフ。
【図２５】上記実施の形態の電磁共振回転電機の共振周波数に対する有効電力特性のグラフ。
【図２６】本発明の第３の実施の形態の電磁共振回転電機（１／４）の斜視図。
【図２７】上記実施の形態の電磁共振回転電機の磁束密度の分布図。
【図２８】本発明の第４の実施の形態の電磁共振回転電機に対する電動機駆動装置のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて詳説する。
【００１８】
まず、電磁共振回転電機の動作原理について説明する。電磁共振回転電機は電磁界共振結合を利用して固定子巻線と回転子巻線との間で電力を電送し、モータ動作では力を発生し、発電機動作では電力を発生させる電磁共振エネルギー変換機器である。電磁共振回転電機は無鉄心で、巻線のみで構成することができる。そのため、超軽量の回転電機が実現でき、モバイル機器から電気飛行機、太陽電池飛行機を実現するためのキー技術になる可能性がある。
【００１９】
［電磁共振モータとは］
電磁共振モータは固定子巻線（１次巻線）と回転子巻線（２次巻線）との間で電磁界共振結合の作用で電力を電送してエネルギー変換を行う。図１、図２を用いて、電磁共振モータ１の原理モデルの構成と動作原理について述べる。３相の固定子コイル１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗを空間的に６０°、１２０°位相間隔で配置する。前記コイル１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗから成る固定子巻線１１の固定子電流によって回転磁界を形成する。回転子２０には同様に３相のコイル２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを配置し、三相短絡状態にする。これらの回転子２０のコイル２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗにて回転子巻線２１を構成する。また、図３、図４に示すように、通常の固定子鉄心と回転子鉄心はなくして無鉄心とし、実際の構造としては合成樹脂ＦＲＰを固定子構造体１２、回転子構造体２２として各コイル１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ；２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを固定する。但し、低周波数領域でも成立する場合で、応用製品によっては鉄心を設ける可能性もある（複合型回転電機）。
【００２０】
さらに図１、図２に示すように、３相の固定子巻線回路と回転子巻線回路とには共振用のキャパシタ１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗ；２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗを接続してそれぞれにキャパシタンスを持たせている。
【００２１】
図３、図４を用いて実施の形態の電磁共振回転電機１の機械的な構成を詳しく説明する。電磁共振回転電機１は固定子１０と回転子２０から構成される。固定子１０は、強化繊維樹脂（ＦＲＰ）を材料とした固定子構造体１２にスロット１４を設けて、固定子構造体１２の各スロット１４内にコイル１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗを挿入し、複数のコイル１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗから成る３相の固定子巻線１１それぞれにはキャパシタ１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗを接続してキャパシタンスを持たせている。一方、電磁共振回転電機１の回転子２０は、強化繊維樹脂（ＦＲＰ）を材料とした回転子構造体２２にスロット２４を設けて、回転子構造体２２の各スロット２４内にコイル２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを挿入し、複数のコイル２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗから成る３相の回転子巻線２１にはキャパシタ２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗを接続して各相にキャパシタンスを持たせている。固定子１０の内部に回転子２０を配置し、両者間にはエアギャップ３０を形成している。
【００２２】
固定子１０の３相巻線２１のインダクタンスＬとキャパシタンスＣとは、設定した周波数ｆで共振する値にしている。同様に回転子２０の３相巻線２１のインダクタンスＬとキャパシタンスＣとは、設定した周波数ｆで共振する値にしている。さらに固定子１０の共振周波数ｆと回転子２０の共振周波数ｆとがほぼ一致するように各巻線１１，２１とキャパシタ１３，２３の特性を設定している。これによって、固定子１０と回転子２０とが電磁気的な共振結合状態になり、固定子１０側の電気エネルギーが回転子２０側のエネルギーとして電送される。このような構成にすることによって漏れ磁束の影響はほとんどなくなるので、無鉄心の空心状態でも電磁界結合によって電力を電送できる。
【００２３】
上記の構成の電磁共振モータの特性解析を行った。空心とするためにステータコアとロータコアの材料設定を空気に設定した。電磁共振モータのモデルは図３、図４に示すものである。そのモデルの諸元を図５の表に示している。
【００２４】
［機器定数の解析と算出］
駆動周波数でモータが電磁気的な共振状態にするために、機器定数である３相巻線のインダクタンスＬとキャパシタンスＣを決める必要がある。そして、電磁共振結合させるために固定子１０と回転子２０において同じ周波数ｆで共振させる必要がある。インダクタンスＬは電磁界解析によって求めた。解析で得られたインダクタンスＬと駆動周波数ｆから共振条件によってキャパシタＣを算出する。機器定数の算出式は次の式（１）−（５）である。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
また、固定子巻線１１のインダクタンスＬの解析を行う場合は、回転子巻線２１は空気に設定変更して行う。回転子巻線２１のインダクタンスＬの解析では、逆に固定子巻線１１を空気に設定する。解析条件としては、３相電源電圧Ｖは振幅値で３０００Ｖ、駆動周波数は５０Ｈｚ，１００Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２００Ｈｚで行った。尚、駆動周波数ｆはｋＨｚオーダでも行ったが、ここでは一例として低周波での特性を述べる。
【００２７】
特性解析に用いた原理検証モデルは図５の表に示す諸元である。尚、原理検討モデルの諸元は、汎用の中容量の誘導機の設計値を用いたモータの諸元とした。電磁界解析を行ったときの原理モデルの回路は図１、図２に示したものである。
【００２８】
［機器定数解析結果］
機器定数解析を基に算出した値は、固定子１０のインダクタンスＬとキャパシタンスＣを図６の表に示し、回転子２０のインダクタンスＬとキャパシタンスＣを図７の表に示している。
【００２９】
［周波数応答特性］
電磁気的な共振によるモータ特性を把握するために原理モデルの周波数応答解析を行った。回路モデルは図１、図２に示したものであり、機器定数解析により算出した各駆動周波数ｆを共振周波数となる容量Ｃのキャパシタ１３，２３を固定子１０の回路と回転子２０の回路とのそれぞれに直列に接続した回路構成となる。
【００３０】
解析条件として、電源電圧は振幅値３０００Ｖとした。図８に回転子２０における電力の周波数応答特性を示す。グラフＣ５０，Ｃ１００，Ｃ１５０，Ｃ２００は５０Ｈｚ，１００Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２００Ｈｚを共振周波数となるように設定した電気容量Ｃの値を持つキャパシタを取り付けた時の本発明の回転電機において、駆動周波数に対する電力の周波数応答特性のグラフである。駆動周波数ｆを共振周波数として設定した５０Ｈｚ，１００Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２００Ｈｚ近傍で最大の電力になっていることが確認された。各最大電力は駆動（共振）周波数５０Ｈｚで設定したモータでは３２．７ｋＷ、１００Ｈｚ設定のモータでは７０．３ｋＷ、１５０Ｈｚ設定のモータでは７５．６ｋＷ、２００Ｈｚ設定のモータでは６５．６ｋＷが得られた。また、５０Ｈｚ設定のモータの電力は他の３つの周波数で共振設定したモータの電力の半分以下になっている。最も多くの電力が得られたのは１５０Ｈｚ設定のモータである。
【００３１】
周波数応答解析時に得られた５０Ｈｚ，１００Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２００Ｈｚそれぞれでの共振時の磁束の磁束密度分布を調べてみると図９に示すようになった。いずれの周波数においても、ステータとロータ間で磁束が結合していることが確認でき、電磁共振状態になっていることがわかる。
【００３２】
［運転特性］
電磁共振モータの回転時の運転特性は従来と異なる特性を示す。そこで、原理検証モデルの過渡応答解析を行って回転時の運転特性を求めた。解析で得られたすべりｓに対するトルク（ｓ−Ｔ）特性を図１０に示しめしている。この図１０の（ｓ−Ｔ）特性より、５０Ｈｚ設定のモータはすべりｓ＝０．６のとき、１００Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２００Ｈｚ設定のモータそれぞれはすべりｓ＝０．５のときにトルクが最大になっている。
【００３３】
図１１はすべりｓに対する出力特性を示している。５０Ｈｚ設定のモータはすべりｓが０．７のとき、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚ設定のモータそれぞれはすべりｓが０．６のときに出力が最大になる。最大出力は５０Ｈｚ設定のモータのみが小さく、他の周波数設定のモータの最大出力はほぼ同出力となっている。
【００３４】
図１２はすべりｓに対する固定子電流特性を示しており、すべりｓが小さくなるにつれて固定子電流は増加している。また図１３はすべりｓに対する回転子電流特性を示しており、電流はすべりｓに対して図１１の出力特性と同様な特性変化をしていることがわかる。
【００３５】
以上の解析結果から、電磁共振結合を利用した新原理の回転電機、つまり電磁共振回転電機では、固定子と回転子との間で電力を電送できることが分かる。
【００３６】
このようにして本実施の形態の電磁共振回転電機１によれば、例えば音響学における共鳴現象と同様に比較的離れた物体間でも発生し得る電磁気的共振現象によって固定子１０から回転子２０に電力を電送することができるので、固定子１０と回転子２０との間のエアギャップ３０のギャップ長を拡大しても回転力を誘起でき、誘導機として大きなエアギャップ長でも高出力を得ることができる。また、電磁気的な共振現象を原理としているために大量の漏れ磁束を低減して高磁気を確保するために従来不可欠であった鉄心を排除でき―この鉄心は従来では回転電機の大部分の重量を占める金属材料でかつ体積割合もほぼ全部を占めていた―超軽量の回転電機や高効率の誘導式回転電機が実現できる。そして、超軽量、高効率化が図れるので、本実施の形態の電磁共振回転電機１を太陽光発電で飛行できる電動飛行機や無人飛行機に搭載することによってそれらの機器重量の軽量化も図れ、同様にモバイル機器やロボット、電気自動車、電車等の移動体でもその搭載によって機器全体の軽量化が図れて動作に要するエネルギーを大幅に低減でき、速い応答も可能になる。
【００３７】
次に、本発明の電磁共振回転電機の変形例について説明する。
【００３８】
（１）第１の実施の形態の電磁共振回転電機１において、回転子２０はかご型回転子として構成する。そしてかご型回転子２０は、その中の導体を強化繊維樹脂でモールドして製造する。キャパシタ２３は、かご型回転子２０のエンドリング側に接続する。固定子１０の構成は第１の実施の形態のものと同様である。
【００３９】
（２）また、キャパシタ１３；２３はキャパシタのようなキャパシタンス電気部品以外にも以下の構成に置き換えることができる。図１４（図１４には回転子２０の構造を示しているが、固定子１０の構造も同様である。）に示すように、固定子１０のＦＲＰ構造体１２、回転子２０のＦＲＰ構造体２２それぞれを軸方向に分割し、分割体１２ａ，１２ａ；２２ａ，２２ａ間にこれらの分割体１２ａ；２２ａの切り口の形状とほぼ一致する形状の金属板１７；２７をサンドイッチ状態で挟み込んで構成する。挟み込む金属板１７；２７は（３ｎ＋１：ｎは自然数）枚である。そしてＵＶＷ各相のコイル１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ；２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗの一端をそれぞれ異なったｎ枚の金属板１７；２７に接続し、他方、端部の位置にある残りの１枚の金属板２７にはＵＶＷ全相のコイル１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ；２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗの他端を共通に接続することによって導電性の金属板１７；２７をその間に構造体であり誘電体であるＦＲＰ分割体１２ａ；２２ａが介在するキャパシタ１５；２５として動作させる。これによって、固定子巻線１１、回転子巻線２１のインダクタンスＬとキャパシタ１５，２５のキャパシタンスＣとで共振状態を作り出す。
【００４０】
＜第２の実施の形態＞
図１５〜図１８を用いて、第２の実施の形態の電磁共振回転電機１０１について説明する。図１５、図１６に示すように、固定子１１０には３相の固定子コイル１１１Ｕ，１１１Ｖ，１１１Ｗを空間的に６０°、１２０°位相間隔で配置する。前記コイル１１１Ｕ，１１１Ｖ，１１１Ｗから成る固定子巻線１１１の固定子電流によって回転磁界を形成する。回転子１２０には同様に３相のコイル１２１Ｕ，１２１Ｖ，１２１Ｗを配置し、３相短絡状態にする。これらの回転子１２０のコイル１２１Ｕ，１２１Ｖ，１２１Ｗにて回転子巻線１２１を構成する。また、図１７、図１８に示すように、通常の固定子鉄心と回転子鉄心はなくして無鉄心とし、実際の構造としては合成樹脂ＦＲＰを固定子構造体１１２、回転子構造体１２２として各コイル１１１Ｕ，１１１Ｖ，１１１Ｗ；１２１Ｕ，１２１Ｖ，１２１Ｗを固定する。固定子１１０の内部に回転子１２０を配置し、両者間にはエアギャップ１３０を形成している。
【００４１】
さらに図１５、図１６に示すように、３相の固定子巻線回路と回転子巻線回路とには共振用のキャパシタ１１３Ｕ，１１３Ｖ，１１３Ｗ；１２３Ｕ，１２３Ｖ，１２３Ｗを接続してそれぞれにキャパシタンスを持たせている。
【００４２】
［運転特性解析結果］
固定子１１０は駆動周波数を共振周波数ｆとし、回転子１２０はすべり周波数を共振周波数ｆとする容量のキャパシタを、インダクタンスＬから求めた。図１６に示すように固定子１１０と回転子１２０に直列にキャパシタを接続した回路で解析をする。解析条件は、図１９の表に示すものであり、電源電流を３３７．５Ａ（１０Ａ／ｍｍ２）とし、駆動周波数ｆを１ｋＨｚとした。
【００４３】
解析によって得られたすべりに対するトルク特性（ｓ−Ｔ特性）を図２０に示す。すべり（Ｓｌｉｐ）が０．３のときに最大の２０９８Ｎｍになる。最大トルクになるすべり０．３のトルク波形を図２１に示す。図２２はすべりに対する出力特性である。すべりが０．２のときに出力は最大となり、そのときの磁束密度を図２３に示す。この状態の時に回転子１２０の磁束密度が高くなっており、電磁共振結合が作用していることが確認できる。図２４はすべりに対する回転子１２０の電流（Ａ）を示しており、すべりが０．３のときに最大の電流値となっていることがわかる。図２５の特性曲線は誘導機と同様な変化になっており、いずれのすべりにおいても電磁共振結合作用が確認できた。
【００４４】
また周波数特性は次のようになった。図１６の電磁共振モータ回路に０．２Ωの抵抗を回転子１２０側に直列に３相分接続し、また回転子１２０側にはすべり周波数ｆに対応したキャパシタを使用して周波数応答解析を行った。そのときの抵抗の有効電力を図２５に示す。有効電力は周波数が高い共振ほど大きくなっている。
【００４５】
このようにして本実施の形態の電磁共振回転電機１０１によれば、例えば音響学における共鳴現象と同様に比較的離れた物体間でも発生し得る電磁気的共振現象によって固定子１１０から回転子１２０に電力を電送することができるので、固定子１１０と回転子１２０との間のエアギャップ１３０のギャップ長を拡大しても回転力を誘起でき、誘導機として大きなエアギャップ長でも高出力を得ることができる。また、電磁気的な共振現象を原理としているために大量の漏れ磁束を低減して高磁気を確保することができる。このために、従来は不可欠であった鉄心を排除でき―この鉄心は従来では回転電機の大部分の重量を占める金属材料でかつ体積割合もほぼ全部を占めていた―超軽量の回転電機や高効率の誘導式回転電機が実現できる。そして、超軽量、高効率化が図れるので、本実施の形態の電磁共振回転電機１０１を太陽光発電で飛行できる電動飛行機や無人飛行機に搭載することによってそれらの機器重量の軽量化も図れ、同様にモバイル機器やロボット、電気自動車、電車等の移動体でもその搭載によって機器全体の軽量化が図れて動作に要するエネルギーを大幅に低減でき、速い応答も可能になる。
【００４６】
＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態の電磁共振回転電機は図２６に示すアキシャルギャップ型回転電機２０１である。図２６はモデルの１／４を示している。この実施の形態の回転電機２０１は、円盤状固定子２１０にＡ，Ｂ２相巻線２１１を設けて回転磁界を形成するようにしている。また回転軸方向の対向面に円盤状回転子２２０を配置し、回転子２２０にも２相巻線２２１を設けて２相短絡させている。固定子２１０は強化繊維樹脂（ＦＲＰ）の円盤２１３にＦＲＰのコイルボビン（構造物）を立て、その周りにコイルを巻いて固定子巻線２１１を構成している。また回転子２２０についても同様の構造であり、ＦＲＰの円盤２２３にＦＲＰのコイルボビンを立て、その周りにコイルを巻いて回転子巻線２２１を構成している。これら固定子巻線２１１と回転子巻線２２１は簡素な構造の集中巻とし、それぞれ８個のＦＲＰの円柱にコイルを巻きつけた構造である。共振用の外部キャパシタは各固定子巻線と各回転子巻線に接続されて電磁共振状態を作り出す。キャパシタは各円盤内に設けた空洞内に配置して固定する。または、前記コイルを巻く各ボビンの内周に円筒のキャパシタを内蔵して配置する。または、前記各ボビンは誘電体と電極板で構成してボビンそのものをキャパシタとして構成する。
【００４７】
［運転特性解析結果］
・固定子：外径２００ｍｍ、４極−１２コイル‐３０ターン数／個
・回転子：外径２００ｍｍ、１２コイル‐３０ターン数／個
上記の条件で周波数応答解析及び過渡解析を行い、電磁界の相互作用、２次側（回転子）のエネルギー電送特性を解析した。電源周波数は１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚとした。
【００４８】
図２７に１ｋＨｚで負荷状態の機器の磁束密度分布を示している。これにより、固定子２１０と回転子２２０の共振結合によって磁束密度が高く分布していることがわかる。
【００４９】
なお、上記のいずれの実施の形態の電磁共振回転電機でも誘導電動機として使用し、その回転駆動にすべり周波数制御を使用し、かつ回転子に流れる電流をすべり周波数になるように制御する電動機駆動装置ＤＲを採用することができる。すなわち、図２８に示すように、誘導電動機ＩＭに対して、所定の周波数の三相交流を供給するインバータＩＮＶと、このインバータＩＮＶの出力電力、周波数をすべり周波数ベクトル制御にて制御するインバータ制御装置ＣＴＲと、インバータＩＮＶに電源ＰＷの交流電力を直流電力に変換して供給するコンバータＣＶと、誘導電動機ＩＭの回転速度を検出する速度検出器Ｒと、インバータＩＮＶの出力周波数を検出する電流検出器ＣＷで電動機駆動装置ＤＲを構成する。
【００５０】
このように誘導電動機ＩＭをすべり周波数ベクトル制御で駆動し、かつ、すべり周波数が一定になるように回転電機を駆動することにより、回転子の電気回路の共振周波数であるすべり周波数が一定になり、一度、すべり周波数で回転子巻線のインダクタンスＬと共振になる特性を持つキャパシタを決めれば、回転子の回転数が変化しても常に同じキャパシタ容量で共振状態になって大きな出力を得ることができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の電磁共振回転電機は、太陽光発電で飛行できる電動飛行機や無人飛行機に搭載することにより大幅に軽量化した電動飛行機や無人飛行機が実現できる。また、モバイル機器やロボット、電気自動車、電車等の移動体に搭載することによりエネルギーを大幅に低減でき、速い応答が可能な移動体が実現できる。
【符号の説明】
【００５２】
１，１０１，２０１  電磁共振回転電機
１０，１１０，２１０  固定子
１１，１１１，２１１  固定子巻線
１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ  固定子コイル
１２  固定子構造体
１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗ  キャパシタ
１４  スロット
２０，１２０，２２０  回転子
２１，１２１，２２１  回転子巻線
２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗ  回転子コイル
２２  回転子構造体
２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗ  キャパシタ
２４  スロット
２７  導電板
３０  エアギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２８】
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【図９】
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【図２３】
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【図２７】
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