JP6388611B2 - ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石と電磁石との両方を用いて界磁磁束である主磁束を発生させるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機に関する。

従来、同期機としては、永久磁石を用いて主磁束を発生させる永久磁石式同期機と、界磁巻線を用いて主磁束を発生させる電磁石式同期機とが知られている。電磁石同期機としては、界磁巻線が回転子の磁極に取り付けられているものと、界磁巻線が固定子に取り付けられ、界磁巻線による起磁力をリラクタンス形回転子である回転子の突極により変調して主磁束を発生させるものとが知られている（例えば、特許文献１参照）。

永久磁石式同期機では、励磁入力（励磁損失）が無いので、電磁石式同期機と比較して高い効率を得ることができる。また、磁束密度の高い永久磁石を使用する場合には、円磁石式同期機の高トルク化、軽量化および小形化を図ることができる。したがって、永久磁石式同期機は、産業用モータ、民生機器モータおよび車載用モータなど多岐にわたって使用されている。一方、電磁石式同期機では、界磁巻線に流れる直流電流により主磁束を容易に調整することができるので、永久磁石式同期機と比較して電動機または発電機としての運転範囲を広くすることができる。したがって、電磁石式同期機は、車載用発電機であるオルタネータに使用されている。

特許第５７７８３９１号公報

しかしながら、永久磁石式同期機では、主磁束が永久磁石の特性によってほぼ一定に保たれるので、電機子巻線で発生する逆起電力、すなわち、誘導起電力が回転速度とともに変化する。したがって、永久磁石式同期機を電動機として使用した場合の定出力運転において、または、永久磁石式同期機を発電機として使用した場合の定電圧運転において、電磁石式同期機と比較して、運転範囲が制限されるという問題点があった。一方、電磁石式同期機では、磁束密度が永久磁石同期機の磁束密度よりも低くなるので、永久磁石式同期機と比較して、高トルク化を図ることができないという問題点があった。また、永久磁石式同期機と電磁石式同期機とを組み合わせた場合には、永久磁石式同期機および電磁石式同期機のそれぞれを別々のインバータで駆動しなければならず、システム全体を小形化することができないという問題点があった。

この発明は、運転範囲を広げることができるとともに高トルク化を図ることができ、さらにシステム全体を小形化することができるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機を提供するものである。

この発明に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、永久磁石式駆動部と、永久磁石式駆動部よりも径方向について内側または外側に設けられた電磁石式駆動部とを備え、永久磁石式駆動部および電磁石式駆動部によって２つのギャップが径方向に離れて形成されたハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機であって、永久磁石式駆動部は、多相の第１電機子巻線を含む永久磁石式駆動部用固定子と、永久磁石式駆動部用固定子に対向して設けられた永久磁石式駆動部用回転子と有し、電磁石式駆動部は、多相の第２電機子巻線および界磁巻線を含む電磁石式駆動部用固定子と、電磁石式駆動部用固定子に対向して設けられ、複数の突極を含む電磁石式駆動部用回転子とを有し、突極の数および永久磁石式駆動部用回転子の極対数は、第２電機子巻線の極対数をｐａ、界磁巻線の極対数をｐｆとし、ｐａ≠ｐｆとした場合に、｜ｐａ±ｐｆ｜である。

この発明に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機によれば、永久磁石式駆動部と、永久磁石式駆動部よりも径方向について内側または外側に設けられた電磁石式駆動部とを備え、永久磁石式駆動部および電磁石式駆動部によって径方向に２つのギャップが離れて形成されているので、運転範囲を広げることができるとともに高トルク化を図ることができ、さらにシステム全体を小形化することができる。

この発明の実施の形態１に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。 図１の永久磁石式駆動部および電磁石式駆動部に電力を供給する駆動回路を含めた全体システムを示す図である。 図１のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機における内側電機子巻線および外側電機子巻線に誘導される逆起電力を示すグラフである。 図１のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機におけるｑ軸電流に対するトルクを示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、永久磁石式駆動部１と、永久磁石式駆動部１よりも径方向について外側に設けられた電磁石式駆動部２とを備え、永久磁石式駆動部１および電磁石式駆動部２によって２つのギャップが径方向に離れて形成されている。２つのギャップのうちの径方向内側に配置されたギャップを内側ギャップ３ａと、内側ギャップ３ａよりも径方向外側に配置されたギャップを外側ギャップ３ｂとする。

永久磁石式駆動部１は、永久磁石式駆動部用固定子である内側固定子１１と、内側固定子１１に対向して設けられた永久磁石式駆動部用回転子である内側回転子１２とを有している。内側固定子１１は、内側回転子１２よりも径方向外側に配置されている。内側ギャップ３ａは、内側固定子１１と内側回転子１２との間に形成されている。

電磁石式駆動部２は、電磁石式駆動部用固定子である外側固定子２１と、外側固定子２１に対向して設けられた電磁石式駆動部用回転子である外側回転子２２とを有している。外側固定子２１は、外側回転子２２よりも径方向内側に配置されている。外側ギャップ３ｂは、外側固定子２１と外側回転子２２との間に形成されている。

内側固定子１１は、コアバック１１１およびコアバック１１１から径方向内側に延びた３６個のティース１１２を有する固定子鉄心１１３と、ティース１１２に巻かれた第１電機子巻線である内側電機子巻線１１４とを有している。内側電機子巻線１１４は、三相電機子巻線となっている。ティース１１２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。

外側固定子２１は、コアバック２１１およびコアバック２１１から径方向外側に延びた１８個のティース２１２を有する固定子鉄心２１３と、ティース２１２に巻かれた第２電機子巻線である外側電機子巻線２１４と、ティース２１２に巻かれた界磁巻線２１５とを有している。

コアバック１１１およびコアバック２１１は、一体に形成されている。言い換えれば、固定子鉄心１１３および固定子鉄心２１３は、一体に形成されている。固定子鉄心１１３と固定子鉄心２１３とを合わせたものを共用固定子鉄心４とする。

内側回転子１２は、回転子鉄心１２１と、回転子鉄心１２１に固定され、内側固定子１１の径方向内側面に対向する複数の永久磁石１２２を有している。永久磁石１２２は、永久磁石式駆動部１の主磁束の発生源（界磁極）として働く。永久磁石１２２は、ネオジム焼結磁石から構成されている。なお、永久磁石１２２は、ネオジム焼結磁石に限らず、その他の材質から構成されてもよい。

外側回転子２２は、円環状の基部２２１と、基部２２１から径方向内側に向かって延びる複数の突極２２２を有している。突極２２２は、外側固定子２１の径方向外側面に対向する。複数の突極２２２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。突極２２２は、電磁石式駆動部２の主磁束を作るために利用される。内側回転子１２および外側回転子２２は、機械的に結合されている。内側回転子１２には、図示しない回転軸が固定されている。この回転軸は、図示しない軸受を介して図示しないハウジングに回転可能に支持されている。

実施の形態１では、外側回転子２２の外径が２００ｍｍ、外側固定子２１の外径が１７６ｍｍ、内側回転子１２の外径が９５．２ｍｍ、外側ギャップ３ｂのギャップ長が０．３ｍｍ、内側ギャップ３ａのギャップ長が０．４ｍｍとなっている。

共用固定子鉄心４、回転子鉄心１２１および外側回転子２２のそれぞれは、複数枚の電磁鋼板が回転軸の軸方向に積層されることによって構成されている。共用固定子鉄心４、回転子鉄心１２１および外側回転子２２のそれぞれの軸方向の長さは、５０ｍｍとなっている。共用固定子鉄心４、回転子鉄心１２１および外側回転子２２は、電磁鋼板の代わりに、圧粉鉄心材料またはその他の磁性材料が積層されることによって構成されてもよく、また、バルク材から構成されてもよい。

外側電機子巻線２１４の極数２ｐａは、１２極となっている。言い換えれば、外側電機子巻線２１４の極対数ｐａは６となっている。外側電機子巻線２１４は、一相当たり１３２巻となっている。

界磁巻線２１５の極数２ｐｆは、１８極となっている。言い換えれば、界磁巻線２１５の極対数ｐｆは、９となっている。界磁巻線２１５は、１２６０巻となっている。

外側回転子２２の突極の数ｐｒは、ｐａ＋ｐｆとなっている。この例では、外側回転子２２の突極の数ｐｒは、１５極となっている。

内側電機子巻線１１４の極対数は、ｐａ＋ｐｆとなっている。この例では、内側電機子巻線１１４の極対数は、１５となっている。したがって、内側回転子１２の極対数である永久磁石１２２の極対数も、１５となっている。つまり、外側回転子２２の突極の数ｐｒ、内側電機子巻線１１４の極対数および永久磁石１２２の極対数は、互いに同じ数となっている。内側電機子巻線１１４は、一相当たり１０８巻となっている。

図２は図１の永久磁石式駆動部１および電磁石式駆動部２に電力を供給する駆動回路を含めた全体システムを示す図である。界磁巻線２１５には、直流電源３１から界磁電流Ｉｆが供給される。

実施の形態１では、外側電機子巻線２１４および内側電機子巻線１１４は、各相が直列にＹ結線で接続されている。外側電機子巻線２１４および内側電機子巻線１１４のそれぞれには、三相交流電源３２が接続されたインバータ回路３３から電機子電流が供給される。外側電機子巻線２１４および内側電機子巻線１１４は、外側回転子２２の位置および内側回転子１２の位置の変化に対して鎖交磁束波形が同相となるように配置されている。つまり、外側電機子巻線２１４および内側電機子巻線１１４は、一方の誘起電圧がＵ相のピークとなる瞬間に、他方の誘起電圧がＵ相のピークとなるように配置されている。

なお、図１では、外側電機子巻線２１４および内側電機子巻線１１４における互いに同相が径方向に揃うように配置されているが、永久磁石式駆動部１および電磁石式駆動部２のそれぞれの電機子と回転子との位置関係が変わらない場合には、永久磁石式駆動部１および電磁石式駆動部２の周方向についての位置関係は、任意にとってよい。

また、実施の形態１では、コアバック１１１およびコアバック２１１が一体に形成されていることによって、コアバック１１１およびコアバック２１１の磁束密度、つまり、永久磁石式駆動部１および電磁石式駆動部２の磁束の合計の密度が小さくなるという効果が得られるが、その効果がより大きくなるように、永久磁石式駆動部１および電磁石式駆動部２の周方向位置関係にするのが望ましい。得られる効果は、永久磁石式駆動部１のスロットコンビと、外側電機子巻線２１４の極対数ｐａ、界磁巻線２１５の極対数ｐｆの組み合わせに依存している。

例えば、図１では、外側電機子巻線２１４および内側電機子巻線１１４における互いに同相が径方向に揃うように配置されているが（Ｕ_０の径方向内側には、Ｕ＋およびＵ−が配置され、Ｖ_０およびＷ_０についても同様）、１個のティース２１２分だけ周方向にずらすことによって、Ｕ_０の内側には、Ｗ＋およびＷ−が配置されことになり、異なる相の組み合わせとなる（Ｖ_０、Ｗ_０についても同様）。このため、外側固定子２１のティース２１２および内側固定子１１のティース１１２の磁束が同時に最大になることがなくなるため、コアバック１１１およびコアバック２１１の磁束密度を小さくすることができる。

鎖交磁束波形を同相とすることによって、外側電機子巻線２１４および内側電機子巻線１１４に誘導される逆起電力の合成値を最大にし、所望のトルクを得るために必要な永久磁石１２２の量を低減している。逆起電力の合成値を最大にするかわりに、コギング、リプルの低減などを目的とする場合には、同相から位相をずらした構成であってもよい。外側電機子巻線２１４および界磁巻線２１５は、同じスロットを共用して巻かれているが、２つの巻線断面積の比を変えることによって、発生する銅損の総量を最小にすることができる。

次に、実施の形態１に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の動作について説明する。ここでは、電動機を例にして、その動作を説明する。まず、内側ギャップ３ａでは、永久磁石１２２による主磁束と内側電機子巻線１１４に供給される電機子電流との間に永久磁石式同期機としてのトルクが発生する。一方、外側ギャップ３ｂでは、界磁巻線２１５に界磁電流Ｉｆが供給され、１８極の起磁力が作られると、これが外側回転子２２の１５極の突極２２２によって変調され、１２極の回転磁束が作られる。この回転磁束と外側電機子巻線２１４に供給されている電機子電流との間に電磁石式同期機としてのトルクが発生する。したがって、内側回転子１２および外側回転子２２の合計のトルクが回転軸から得られ、実施の形態１に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、３０極の同期電動機として動作する。

図３は図１のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機における内側電機子巻線１１４および外側電機子巻線２１４に誘導される逆起電力Ｅ（相電圧）を示すグラフである。図３では、内側回転子１２および外側回転子２２を外部から駆動し、内側電機子巻線１１４および外側電機子巻線２１４を開放した状態で、界磁電流Ｉｆを−３〜＋３（Ａ）とし、回転速度Ｎｒを１２００（ｍｉｎ^−１）とした場合の逆起電力Ｅの波形を示している。逆起電力Ｅの大きさは、界磁電流Ｉｆにより自由に調整することができる。低速域で大トルクが必要な場合には、界磁電流Ｉｆをプラスに流して逆起電力Ｅを大きくし、高速域で界磁電流Ｉｆをゼロまたはマイナスに流して逆起電力Ｅを小さくすることで、ｄ軸電流ｉｄによる弱め制御を最小限にすることができる。これにより、運転範囲（駆動可能な回転数‐トルク範囲）を広くすることができる。また、高速域では、必要最小限のｄ軸電流ｉｄ、磁力しか使用しないので、銅損、鉄損の削減を図ることができる。

ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の外形が同じ場合であっても、永久磁石式駆動部１および電磁石式駆動部２のそれぞれの大きさの割合を変化させることによって、低速大トルク重視型または高速低トルク重視型に変えることができるので、柔軟な設計が可能となる。

図４は図１のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機におけるｑ軸電流に対するトルクを示すグラフである。図４では、ｄ軸電流ｉｄを０（Ａ）としてベクトル制御した場合のｑ軸電流ｉｑに対するトルクＴ（内側回転子１２および外側回転子２２から得られる合計トルク）の変化を示している。つまり、図４では、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機を電動機として駆動し、界磁電流Ｉｆを３（Ａ）、回転速度Ｎｒを１２００（ｍｉｎ^−１）とした場合のｑ軸電流ｉｑに対するトルクＴの変化を示している。本発明は、従来の同期機と同様に、トルクＴは、ｑ軸電流ｉｑにより線形的に制御することができる。

なお、実施の形態１は、単なる例にすぎず、本発明はこれに限定されるものではない。実施の形態１では、２ｐａが１２極、２ｐｆが１８極、ｐａ＋ｐｆが１５となっているが、ｐａとｐｆは、ｐａ≠ｐｆ、かつ、｜ｐａ−ｐｆ｜≠１であれば、どのような組み合わせでもよい。ｐａ≠ｐｆとする理由は、外側電機子巻線２１４と界磁巻線２１５とが変圧器結合しないためである。また、｜ｐａ−ｐｆ｜≠１とする理由は、径方向電磁力を平衡させ、回転軸に対して異常な振動または騒音を発生させないようにするためである。ただし、これらの影響により特性が低下しても問題がない用途であれば、この制限を外してもよい。

また、実施の形態１では、外側電機子巻線２１４、界磁巻線２１５および内側電機子巻線１１４がそれぞれ集中巻されている構成について説明したが、これらの巻線は、分布巻でもよく、また、集中巻と分布巻との組み合わせであってもよい。また、外側電機子巻線２１４と界磁巻線２１５とについては、どちらがより径方向内側に配置されてもよい。

また、実施の形態１では、永久磁石１２２が内側回転子１２の回転子鉄心１２１の表面に貼り付けられている構成について説明したが、永久磁石１２２が内側回転子１２の回転子鉄心１２１の内部に埋め込まれたり、１極が複数の永久磁石１２２から構成されたり、永久磁石１２２がＶ字配置されたりする特殊な配置であってもよい。また、永久磁石１２２は、１極ごとに分離していないリング磁石であってもよい。

また、実施の形態１では、外側回転子２２が（ｐａ＋ｐｆ）個の突極２２２を有する構成について説明したが、外側回転子２２は、（ｐａ＋ｐｆ）個の磁気な突極２２２を有していればよく、例えば、円筒形の回転子に（ｐａ＋ｐｆ）組のフラックスバリアを設けるなど、リラクタンス形回転子であればどのような形態のものであってもよい。

また、実施の形態１では、共用固定子鉄心４が永久磁石式駆動部１と電磁石式駆動部２とで共用されている構成について説明したが、これらの間にフラックスバリアを設けて、磁気的に分離した構成であってもよく、共用せずにコアバック１１１およびコアバック２１１を２つに分離した構成であってもよい。

また、実施の形態１では、永久磁石式駆動部１の毎極毎相のスロット数が２／５であるが、これに限定されるものではなく、あらゆるスロットコンビを用いてもよい。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機によれば、高トルク化、永久磁石量の低減を行うことができ、同期機としての運転範囲を従来の永久磁石式同期機、電磁石式同期機と比較して広くすることができる。

また、電磁石式駆動部２の極数と永久磁石式駆動部１の極数とが等しいので、従来の同期機と同様に１つのインバータで駆動することができる。

また、従来の永久磁石式同期機と電磁石式同期機を軸方向に接続してハイブリッドにする方法も考えられるが、軸方向の体格が長くなってしまうといるデメリットがある。一方、本発明は、これに比べて、半径方向の内側のスペースを有効に利用することができるので、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の小形化を図ることができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。実施の形態２に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、径方向に離れて設けられた２つのギャップのうち、内側ギャップ３ａが永久磁石式駆動部１により形成され、外側ギャップ３ｂが電磁石式駆動部２により形成される点においては実施の形態１と同様である。一方、実施の形態２に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、外側電機子巻線２１４の極数２ｐａが１２極、界磁巻線２１５の極数２ｐｆが１８極、外側回転子２２の突極２２２の数ｐｒが｜ｐａ−ｐｆ｜から算出されて３極となっている。内側電機子巻線１１４の極数は、２｜ｐａ−ｐｆ｜から算出されて、２×３、つまり６極となっている。外側電機子巻線２１４の周方向配置は、実施の形態１では、時計まわりにＵ相、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相と並んでいるのに対して、実施の形態２では、時計まわりにＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相と並んでいる。永久磁石式駆動部１の毎極毎相のスロット数は、１／２となっている。外径などの寸法は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、実施の形態２に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機によれば、実施の形態１と同様の効果が期待できるとともに、極数がより少ない設定となることから、駆動周波数が低く鉄損がより少なくなるので、高速域での効率向上を図ることができる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。実施の形態３に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、径方向に離れて設けられた２つのギャップのうち、内側ギャップ３ａが永久磁石式駆動部１により形成され、外側ギャップ３ｂが電磁石式駆動部２により形成される点においては実施の形態１と同様である。一方、実施の形態１では、永久磁石式駆動部１がインナーロータ型、電磁石式駆動部２がアウターロータ型であるのに対して、実施の形態３では、永久磁石式駆動部１がアウターロータ型、電磁石式駆動部２がインナーロータ型となっている。内側回転子１２の回転子鉄心１２１および外側回転子２２の基部２２１は、一体に形成されている。その他、外径、外側電機子巻線２１４の極数２ｐａ、内側電機子巻線１１４の極数２（ｐａ＋ｐｆ）、界磁巻線２１５の極数２ｐｆ、突極２２２の数ｐｒは、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態３に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機によれば、実施の形態１と同様の効果に加えて、内側回転子１２および外側回転子２２のそれぞれのコアバックを共用化することができるので、重量を軽くすることができ、内側回転子１２および外側回転子２２の慣性を小さくすることができるという効果がある。

なお、上記実施の形態３では、突極２２２の数ｐｒが、ｐａ＋ｐｆから算出される数である構成について説明したが、実施の形態２と同様に、突極２２２の数ｐｒが、｜ｐａ−ｐｆ｜から算出される数であってもよい。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。実施の形態４に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、径方向に離れて設けられた２つギャップのうち、外側ギャップ３ｂが永久磁石式駆動部１により形成され、内側ギャップ３ａが電磁石式駆動部２により形成されている。

永久磁石式駆動部１は、永久磁石式駆動部用固定子である外側固定子１３と、外側固定子１３に対向して設けられた永久磁石式駆動部用回転子である外側回転子１４とを有している。外側固定子１３は、外側回転子１４よりも径方向内側に配置されている。外側ギャップ３ｂは、外側固定子１３と外側回転子１４との間に形成されている。

電磁石式駆動部２は、電磁石式駆動部用固定子である内側固定子２３と、内側固定子２３に対向して設けられた電磁石式駆動部用回転子である内側回転子２４とを有している。内側固定子２３は、内側回転子２４よりも径方向外側に配置されている。内側ギャップ３ａは、内側固定子２３と内側回転子２４との間に形成されている。

外側固定子１３は、コアバック１３１およびコアバック１３１から径方向外側に延びた３６個のティース１３２を有する固定子鉄心１３３と、ティース１３２に巻かれた第１電機子巻線である外側電機子巻線１３４とを有している。外側電機子巻線１３４は、三相電機子巻線となっている。ティース１３２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。

内側固定子２３は、コアバック２３１およびコアバック２３１から径方向内側に延びた１８個のティース２３２を有する固定子鉄心２３３と、ティース２３２に巻かれた第２電機子巻線である内側電機子巻線２３４と、ティース２３２に巻かれた界磁巻線２３５とを有している。

コアバック１３１およびコアバック２３１は、一体に形成されている。言い換えれば、固定子鉄心１３３および固定子鉄心２３３は、一体に形成されている。

外側回転子１４は、回転子鉄心１４１と、回転子鉄心１４１に固定され、外側固定子１３の径方向外側面に対向する複数の永久磁石１４２を有している。永久磁石１４２は、永久磁石式駆動部１の主磁束の発生源（界磁極）として働く。永久磁石１４２は、ネオジム焼結磁石から構成されている。なお、永久磁石１４２は、ネオジム焼結磁石に限らず、その他の材質から構成されてもよい。

内側回転子２４は、円環状の基部２４１と、基部２４１から径方向外側に向かって延びる複数の突極２４２を有している。突極２４２は、内側固定子２３の径方向内側面に対向する。複数の突極２４２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。突極２４２は、電磁石式駆動部２の主磁束を作るために利用される。外側回転子１４および内側回転子２４は、機械的に結合されている。外側回転子１４には、図示しない回転軸が固定されている。この回転軸は、図示しない軸受を介して図示しないハウジングに回転可能に支持されている。外径、内側電機子巻線２３４の極数２ｐａ、外側電機子巻線１３４の極数２（ｐａ＋ｐｆ）、界磁巻線２３５の極数２ｐｆ、突極２４２の数ｐｒは、実施の形態１の外径、外側電機子巻線２１４の極数２ｐａ、内側電機子巻線１１４の極数２（ｐａ＋ｐｆ）、界磁巻線２１５の極数２ｐｆ、突極２２２の数ｐｒと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態４に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機によれば、永久磁石式駆動部１の発生トルクを電磁石式駆動部２よりも大きくし易いので、低速高トルク重視型の用途に向く構成にし易くすることができる。

なお、上記実施の形態４では、突極２４２の数ｐｒが、ｐａ＋ｐｆから算出される数である構成について説明したが、実施の形態２と同様に、突極２４２の数ｐｒが、｜ｐａ−ｐｆ｜から算出される数であってもよい。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の要部を示す断面図である。実施の形態５に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、径方向に離れて設けられた２つのギャップのうち、外側ギャップ３ｂが永久磁石式駆動部１により形成され、内側ギャップ３ａが電磁石式駆動部２により形成されている点においては、実施の形態４と同様である。実施の形態４では、永久磁石式駆動部１がアウターロータ型、電磁石式駆動部がインナーロータ型であるのに対して、実施の形態５では、永久磁石式駆動部１がインナーロータ型、電磁石式駆動部２がアウターロータ型となっている。

永久磁石式駆動部１は、永久磁石式駆動部用固定子である外側固定子１３と、外側固定子１３に対向して設けられた永久磁石式駆動部用回転子である外側回転子１４とを有している。外側固定子１３は、外側回転子１４よりも径方向外側に配置されている。外側ギャップ３ｂは、外側固定子１３と外側回転子１４との間に形成されている。

電磁石式駆動部２は、電磁石式駆動部用固定子である内側固定子２３と、内側固定子２３に対向して設けられた電磁石式駆動部用回転子である内側回転子２４とを有している。内側固定子２３は、内側回転子２４よりも径方向内側に配置されている。内側ギャップ３ａは、内側固定子２３と内側回転子２４との間に形成されている。

外側固定子１３は、コアバック１３１およびコアバック１３１から径方向内側に延びた３６個のティース１３２を有する固定子鉄心１３３と、ティース１３２に巻かれた第１電機子巻線である外側電機子巻線１３４とを有している。外側電機子巻線１３４は、三相電機子巻線となっている。ティース１３２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。

内側固定子２３は、コアバック２３１およびコアバック２３１から径方向外側に延びた１８個のティース２３２を有する固定子鉄心２３３と、ティース２３２に巻かれた第２電機子巻線である内側電機子巻線２３４と、ティース２３２に巻かれた界磁巻線２３５とを有している。

外側回転子１４は、回転子鉄心１４１と、回転子鉄心１４１に固定され、外側固定子１３の径方向内側面に対向する複数の永久磁石１４２を有している。永久磁石１４２は、永久磁石式駆動部１の主磁束の発生源（界磁極）として働く。永久磁石１４２は、ネオジム焼結磁石から構成されている。なお、永久磁石１４２は、ネオジム焼結磁石に限らず、その他の材質から構成されてもよい。

内側回転子２４は、円環状の基部２４１と、基部２４１から径方向内側に向かって延びる複数の突極２４２を有している。突極２４２は、内側固定子２３の径方向外側面に対向する。複数の突極２４２は、周方向に等間隔に並べて配置されている。突極２４２は、電磁石式駆動部２の主磁束を作るために利用される。回転子鉄心１４１および基部２４１は、一体に形成されている。外側固定子１３および内側固定子２３は、機械的に結合されている。外径、内側電機子巻線２３４の極数２ｐａ、外側電機子巻線１３４の極数２（ｐａ＋ｐｆ）、界磁巻線２３５の極数２ｐｆ、突極２４２の数ｐｒは、実施の形態１の外径、外側電機子巻線２１４の極数２ｐａ、内側電機子巻線１１４の極数２（ｐａ＋ｐｆ）、界磁巻線２１５の極数２ｐｆ、突極２２２の数ｐｒと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態５に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機によれば、実施の形態４と同様に、永久磁石式駆動部１の発生トルクを電磁石式駆動部２よりも大きくし易いので、低速高トルク重視型の用途に向く構成にし易くすることができる。さらに、実施の形態４とは異なって、同期機側面が外側固定子２１のコアバック１３１となるので、同期機の設置がし易く、また、水冷ジャケット設置などの方法で効果的な冷却を行うことができる。

なお、上記実施の形態５では、突極２４２の数ｐｒが、ｐａ＋ｐｆから算出される数である構成について説明したが、実施の形態２と同様に、突極２４２の数ｐｒが、｜ｐａ−ｐｆ｜から算出される数であってもよい。

１ 永久磁石式駆動部、２ 電磁石式駆動部、３ａ 内側ギャップ、３ｂ 外側ギャップ、４ 共用固定鉄心、１１ 内側固定子、１２ 内側回転子、１３ 外側固定子、１４ 外側回転子、２１ 外側固定子、２２ 外側回転子、２３ 内側固定子、２４ 内側回転子、３１ 直流電源、３２ 三相交流電源、３３ インバータ回路、１１１ コアバック、１１２ ティース、１１３ 固定子鉄心、１１４ 内側電機子巻線、１２１ 回転子鉄心、１２２ 永久磁石、１３１ コアバック、１３２ ティース、１３３ 固定子鉄心、１３４ 外側電機子巻線、１４１ 固定子鉄心、１４２ 永久磁石、２１１ コアバック、２１２ ティース、２１３ 固定子鉄心、２１４ 外側電機子巻線、２１５ 界磁巻線、２２１ 基部、２２２ 突極、２３１ コアバック、２３２ ティース、２３３ 固定子鉄心、２３４ 内側電機子巻線、２３５ 界磁巻線、２４１ 基部、２４２ 突極。

Claims (5)

1. 永久磁石式駆動部と、前記永久磁石式駆動部よりも径方向について内側または外側に設けられた電磁石式駆動部とを備え、前記永久磁石式駆動部および前記電磁石式駆動部によって２つのギャップが径方向に離れて形成されたハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機であって、
   前記永久磁石式駆動部は、多相の第１電機子巻線を含む永久磁石式駆動部用固定子と、前記永久磁石式駆動部用固定子に対向して設けられた永久磁石式駆動部用回転子と有し、
   前記電磁石式駆動部は、多相の第２電機子巻線および界磁巻線を含む電磁石式駆動部用固定子と、前記電磁石式駆動部用固定子に対向して設けられ、複数の突極を含む電磁石式駆動部用回転子とを有し、
   前記突極の数および前記永久磁石式駆動部用回転子の極対数は、前記第２電機子巻線の極対数をｐａ、前記界磁巻線の極対数をｐｆとし、ｐａ≠ｐｆとした場合に、｜ｐａ±ｐｆ｜であるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。
2. ｜ｐａ−ｐｆ｜≠１である請求項１に記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。
3. 前記第１電機子巻線および前記第２電機子巻線のそれぞれに誘起される無負荷誘起電圧の基本波の位相は、互いに等しい請求項１または請求項２に記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。
4. 前記電磁石式駆動部は、前記永久磁石式駆動部よりも径方向について外側に設けられている請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。
5. 前記電磁石式駆動部は、前記永久磁石式駆動部よりも径方向について内側に設けられている請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。

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