WO2019022100A1 - 回転電機 - Google Patents

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祐一 吉川
平田　勝弘
昇 新口
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    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine using a magnetic reduction mechanism.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a rotating electrical machine mechanism using a magnetic transmission mechanism.
  • a first rotor having a permanent magnet from the inner side in the radial direction, a second rotor having a pole piece, and a fixed portion having a winding are coaxially disposed with a gap therebetween.
  • the first rotor is driven by applying a three-phase current to the fixed part winding, and the reaction torque of the magnetic reduction gear is generated in the second rotor by the rotation of the first rotor.
  • a slip occurs magnetically to provide a function as a torque limiter.
  • An object of the present invention is to realize downsizing of a rotating electrical machine for resource saving and cost reduction, and high output of the rotating electrical machine for improving output in a limited space.
  • the rotating electrical machine includes a first rotor from a radially inner side, a fixing portion having a plurality of magnetic pole pieces and windings in a circumferential direction, and a second rotor.
  • the first rotor and the second rotor are coaxially disposed with a gap, respectively, and the first rotor and the second rotor are configured by permanent magnets or electromagnets, and the windings are electromagnetically coupled to the first rotor and the second rotor.
  • the two rotating magnetic fields of the winding of the fixed part is useful because it is possible to generate torque in the rotor and to transmit the torque generated in one rotor to the other rotor in a reduced speed.
  • FIG. 1 shows a conventional magnetic reduction mechanism, in which (A) is a plan view and (B) is a perspective view.
  • FIG. 2 is a view for explaining the magnetic action on the conventional high speed rotor and fixed part,
  • (A) is a plan view of a magnetic pole pair consisting of permanent magnets of the high speed rotor,
  • (B) is a magnetomotive force distribution by permanent magnets of the high speed rotor.
  • C) is a plan view of the fixed portion,
  • D) is a diagram showing the permeance distribution by the pole piece.
  • FIG. 3 is a block diagram of a rotary electric machine showing an embodiment of the present invention, in which (A) is an oblique view, and (B) is a cross-sectional view showing a plane of a magnetic circuit.
  • FIG. 4 is a diagram showing an analysis result of an induced voltage generated in the fixed part winding when each rotor of the present invention is rotated.
  • FIG. 5 is a diagram showing an analysis result of transmission torque generated by the difference between two rotor angles (phases) of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an analysis result of torque when a three-phase sinusoidal current is applied to the coil of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing generated torques of two rotors when operation verification is performed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing rotation angles of two rotors when operation verification is performed in one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams for explaining the structure and the principle of deceleration of a conventional magnetic reduction mechanism. First, the deceleration principle will be described with reference to these figures.
  • the conventional magnetic reduction mechanism is configured by coaxially arranging a central high-speed rotor 100, an intermediate fixed portion 200, and an outermost low-speed rotor 300 with a required gap. Each part has a predetermined length in the axial direction.
  • the high-speed rotor 100 is connected to an unillustrated rotational force, for example, an output shaft such as a motor and receives the rotational force, and is made of a magnetic material, for example, an axial (or cylindrical) iron core and an iron core.
  • the magnetic pole pair 102 is composed of permanent magnets in which N poles and S poles are alternately arranged in the circumferential direction on the outer periphery of the magnetic head. In the example of FIG. 1, the number of pole pairs is two.
  • the fixing portion 200 has a plurality of axially extending rod-like pole pieces 201 made of a magnetic material, which are arranged at predetermined pitches on the circumference so as to face the outer periphery of the magnetic pole pair 102.
  • the pole piece 201 has a substantially rectangular longitudinal cross section, and a flat portion is directed in the radial direction.
  • the low speed rotor 300 includes an annular body 301 made of a magnetic material, and a magnetic pole 302 formed of a plurality of permanent magnets alternately arranged in the circumferential direction on the inner periphery of the annular body 301.
  • the magnetic flux ⁇ ( ⁇ ) generated on the outer periphery of the pole piece of the fixed portion is expressed as the following equation (1).
  • N h in the first term is the same component as the pole pair number N h of the high speed rotor 100.
  • N S -N h and N S + N h are harmonic components. That is, the magnetic flux generated on the outer periphery of the pole piece of the fixed portion phi (theta) is two harmonic components of the other basic components of the N h (main component), and N S -N h and N S + N h It is understood that there is.
  • the magnetomotive force distribution at this time is F ( ⁇ + ⁇ ), while the permeance distribution does not rotate, so R ( ⁇ ).
  • the magnetic flux ⁇ ( ⁇ + ⁇ ) of the outer periphery of the pole piece of the fixed part at the time when the high-speed rotor rotates by ⁇ is expressed as the following equation (2).
  • Equation (2) N h in the first term of the magnetic flux ⁇ ( ⁇ + ⁇ ) is ( ⁇ + ⁇ ), that is, since there is a + ⁇ component, it is a component rotating at the same speed as the high speed rotor 100 I understand.
  • N S -N h and N S + N h in the second term are both harmonics of the speed different from that of the high speed rotor 100, that is, for N S -N h , It rotates by -N h ⁇ / (N S -N h ) with respect to the rotation of ⁇ , and with respect to N S + N h , with respect to the rotation of ⁇ of the high speed rotor, N h ⁇ / ( As it rotates by N S + N h ), it can be seen that the rotational speed is different from the basic component in any case.
  • the number of the low speed rotors 300 is set to one of N S -N h or N S + N h , the low speed rotor 300 rotates at the different rotation speed on the set side.
  • N S N l + N h
  • N S N l- N h
  • the reduction ratio Gr is positive, it indicates that the high speed rotor 100 and the low speed rotor 300 rotate in the same direction, and when the reduction ratio Gr is negative, the high speed rotor 100 and the low speed rotor 300 Indicates that it rotates in the reverse direction.
  • a drive source for mechanically rotating the stator typically, addition of a motor, etc. is required, resulting in a new problem that the mechanism becomes complicated, large and expensive.
  • the present invention provides a rotating electrical machine capable of generating torque in two rotors by installing a winding on the pole piece of the fixed part as compared with the conventional magnetic reduction mechanism shown in FIG.
  • a low speed rotor 3 having a magnetic material 31 and a permanent magnet 30 from the outside, a fixed part 2 having a coil 21 wound around a pole piece 20, a permanent magnet 11 and a magnetic material 10
  • the high-speed rotor 1 is comprised.
  • the high speed rotor 1 and the low speed rotor 3 are an example of the first rotor and the second rotor, respectively, and the principle of operation holds true even if they are interchanged. It has been arranged.
  • the coil 21 wound by the pole piece 20 comprises the short node concentrated winding, the winding method is not restricted to this.
  • the first rotor from the inner side in the radial direction, the fixed portion 2 having the plurality of pole pieces 20 and the windings (coils 21) in the circumferential direction, and the second rotor respectively are placed coaxially.
  • the first and second rotors are composed of magnetic materials 10 and 31 and permanent magnets 11 and 30 or electromagnets.
  • the windings generate an electromagnetic torque on the first rotor and the second rotor, and the electromagnetic torque is magnetically transmitted to the second rotor by the rotation of the first rotor, or the first rotor by the rotation of the second rotor.
  • the magnetic force torque and the torque magnetically transmitted by the other rotor are superimposed on any one of the first rotor and the second rotor.
  • the frequency F H of the back electromotive force generated in the coil 21 of the fixed unit 2 is N H ⁇ H.
  • the rotational speed ⁇ L of the low speed rotor 3 is ⁇ H / G r
  • the combination condition of the magnetic reduction mechanism is satisfied, and the number of pole pieces of high speed rotor 1 and fixed part 2 and the number of pole pieces of low speed rotor 3 and fixed part 2 are combinations capable of rotating as a three-phase permanent magnet brushless motor, for example. At this time, torque is generated in both rotors by the current applied to the coil 21 of the fixed part 2.
  • the rotary electric machine model is created by the following elements.
  • the back electromotive force generated in the coils of the stator was determined under the following conditions (a), (b) and (c).
  • the high speed rotor is forced to rotate at -60 r / min and the low speed rotor is rotated at 30 r / min, a sine wave current is applied, and the phases of the high speed rotor and the low speed rotor are changed
  • the torque of the rotor was determined. The results are shown in FIG. Regardless of the phase difference, the torque of the low speed rotor increases with the current increase.
  • the phase difference is 4 deg.
  • the torque of the low-speed rotor is 89 Nm when a magnetomotive force with an amplitude of 150 A is applied to the coil, and the torque is increased by 44 Nm than when no current is applied.
  • the torque of the low speed rotor when no current is applied is equal to the transmission torque generated by the phase difference with the high speed rotor, and this holds true for the rotating electric machine having the conventional magnetic reduction mechanism. . Since the torque of the low speed rotor increases as the current increases with a constant phase difference, the torque generated on the low speed rotor due to the reaction torque as a magnetic reduction gear received from the high speed rotor and the magnetomotive force of the coil It can be seen that they are superimposed.
  • the initial phase difference is 4 deg.
  • the operation when the magnetomotive force of amplitude 150 A is applied to the coil is verified.
  • the high speed rotor is rotated at 60 r / min, and the current is input according to the rotational position of the high speed rotor.
  • a load L 89.5 Nm was applied to the low speed rotor, and the torque generated on each rotor and the number of revolutions of the low speed rotor were determined. The results are shown in FIG. 7 and FIG.
  • the average torques of the high speed rotor and the low speed rotor were -2.1 Nm and 88.8 Nm, respectively, according to FIG. 7, and the average rotation speed of the low speed rotor was 29.8 r / min according to FIG.
  • the average torque of the high speed rotor should theoretically be zero, but it is not zero as it is affected by the torque ripple and the averaging section.
  • the rotational speed ratio of both rotors is substantially the same as the reduction ratio.
  • the torque of the low speed rotor oscillates around 89 Nm and hardly changes from time zero. This means that the phase difference between the two rotors is 4 deg. , And indicates that torque is generated in the low speed rotor by the magnetomotive force of 150 A from FIG. That is, the reaction torque as the magnetic reduction gear and the torque due to the coil current are superimposed and output from the low speed rotor.
  • This embodiment also relates to an embodiment obtained by applying various modifications to those skilled in the art to the embodiment, and an embodiment realized by arbitrarily combining components and functions in the embodiment without departing from the spirit of the present disclosure. include.
  • the present disclosure can be applied to general rotating electrical machines using a magnetic reduction mechanism.
  • Reference Signs List 1 100 high speed rotor 2 fixed part 3, 300 low speed rotor 10, 31 magnetic material 11, 30 permanent magnet 20, 201 pole piece 21 coil 102 magnetic pole pair 200 fixed part

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Abstract

径方向内側より第１ロータと、周方向に複数の磁極片と巻線を有する固定部と、第２ロータとがそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、第１ロータおよび第２ロータは、永久磁石または電磁石で構成されており、巻線は、第１ロータおよび第２ロータに電磁力トルクを発生し、電磁力トルクは、第１ロータの回転によって第２ロータに磁気伝達されるか、または第２ロータの回転によって第１ロータに磁気伝達され、第１ロータまたは第２ロータの任意の一方のロータに、電磁力トルクともう一方のロータによって磁気伝達されるトルクが重畳される。

Description

回転電機
　本発明は、磁気減速機構を用いた回転電機に関する。
　特許文献１と非特許文献１には、磁気伝達機構を用いた回転電機機構が開示されている。この回転電機機構は、径方向内側より永久磁石を有する第１ロータと、磁極片を有する第２ロータと、巻線を有する固定部がそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されたものである。固定部巻線に３相電流を印可することで第１ロータを駆動させ、第１ロータの回転によって、第２ロータに磁気減速機の反力トルクが発生する。これによって、機械的接触を伴わず、低振動・低騒音・高伝達効率であり、かつ磁気減速機と回転電機を一体化させることでシステムとして小型又は高出力を得ることが可能となる。また、許容トルクを超える場合には磁気的にスリップが生じることでトルクリミッタとしての作用も備えている。
特許第５２０４０９４号公報
新口昇、平田勝弘著「新しい磁気ギアードモータ」日本ＡＥＭ学会誌、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．２(２０１３)、ｐ．１１０－１１５
　特許文献１および非特許文献１は、固定部の巻線の回転磁界で発生することができるトルクは一方のロータに対してのみであり、発生したトルクをもう一方のロータに減速伝達している。
　本発明は、省資源化や低コスト化のための回転電機の小型化、限られたスペースでの出力向上のための回転電機の高出力化を実現することを目的とする。
　前記従来の課題を解決するために、本開示の一態様における回転電機は、径方向内側より第１ロータと、周方向に複数の磁極片と巻線を有する固定部と、第２ロータとがそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、前記第１ロータおよび前記第２ロータは、永久磁石または電磁石で構成されており、前記巻線は、前記第１ロータおよび前記第２ロータに電磁力トルクを発生し、前記電磁力トルクは、前記第１ロータの回転によって前記第２ロータに磁気伝達されるか、または前記第２ロータの回転によって前記第１ロータに磁気伝達され、前記第１ロータまたは前記第２ロータの任意の一方のロータに、前記電磁力トルクともう一方のロータによって磁気伝達されるトルクが重畳されることを特徴とするものである。
　本発明によれば、回転電機の高出力密度化が可能となる。
　例えば、省資源化や低コスト化のための回転電機の小型化、限られたスペースでの出力向上のための回転電機の高出力化に対して、固定部の巻線の回転磁界によって２つのロータにトルクを発生させ、さらに一方のロータに発生したトルクをもう一方のロータに減速伝達できるという効果が奏され、本発明の回転電機は有益である。
図１は、従来の磁気減速機構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。 図２は、従来の高速ロータと固定部に対する磁気作用を説明する図で、（Ａ）は高速ロータの永久磁石からなる磁極対の平面図、（Ｂ）は高速ロータの永久磁石による起磁力分布を示す図、（Ｃ）は固定部の平面図、（Ｄ）は磁極片によるパーミアンス分布を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態を示す回転電機の構成図で、(Ａ)は斜面図、(Ｂ)は磁気回路の平面がわかる断面図である。 図４は、本発明の各ロータを回転させたときの固定部巻線に発生する誘起電圧の解析結果を示す図である。 図５は、本発明の２つのロータ角度(位相)差によって発生する伝達トルクの解析結果を示す図である。 図６は、本発明のコイルに３相正弦波電流を印加したときのトルクの解析結果を示す図である。 図７は、本発明の一実施形態で動作検証したときの２つのロータの発生トルクを示す図である。 図８は、本発明の一実施形態で動作検証したときの２つのロータの回転角を示す図である。
　図１、図２は、従来の磁気減速機構の構造及び減速原理を説明するための図である。まず、これらの図を参照して減速原理について説明する。
　図１において、従来の磁気減速機構は、中央の高速ロータ１００と、中間の固定部２００と、最外周の低速ロータ３００とが所要の隙間を置いて同軸上に配置して構成されている。各部は軸方向に所定長を有する。高速ロータ１００は、図略の回転力、例えばモータ等の出力軸に連結されて回転力が入力されるものであり、磁性材料からなる例えば軸状（あるいは円筒状でもよい）の鉄心と、鉄心の外周に周方向に均等にＮ極、Ｓ極が交互に配置された永久磁石からなる磁極対１０２とで構成されている。図１の例では極対数は２個である。固定部２００は、磁極対１０２の外周に対向して円周上に所定ピッチを置いて複数配置される、磁性材料からなる軸方向に伸びる棒状の磁極片２０１を有する。磁極片２０１は、縦断面が略矩形で径方向に平面部分が向いている。低速ロータ３００は、磁性材料からなる環状体３０１と、環状体３０１の内周に周方向にＮ極、Ｓ極交互に複数配置された永久磁石からなる磁極３０２とから構成されている。
　次に、図２において、今、高速ロータ１００の回転方向θに対する永久磁石（図２（Ａ）参照）による起磁力分布Ｆ（θ）を、図２（Ｂ）に示すように、正弦波と仮定すると、Ｆ（θ）＝ＡｓｉｎＮｈθ（但し、Ｎｈは高速ロータ１００の極対数。Ａは係数）と置くことができる。また、図２（Ｃ）に示す固定部２００の磁極片２０１の径方向外周での（磁束の通り易さを示す）パーミアンス分布Ｒ（θ）も、図２（Ｄ）のような正弦波と仮定すると、Ｒ（θ）＝ＲＯ＋ＲａｓｉｎＮＳθ（但し、ＮＳは固定部の磁極片の数。ＲＯ、Ｒａはそれぞれ係数）と置くことができる。
　したがって、固定部の磁極片の外周に発生する磁束φ（θ）は、下記式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、第１項中のＮｈは、高速ロータ１００の極対数Ｎｈと同一成分である。第２項中の、ＮＳ－ＮｈとＮＳ＋Ｎｈとは、高調波成分である。すなわち、固定部の磁極片の外周に発生する磁束φ（θ）は、Ｎｈの基本成分（主成分）の他に、ＮＳ－ＮｈとＮＳ＋Ｎｈとの２種類の高調波成分があることが判る。
　次に、固定部を固定したまま、高速ロータ１００をΔθだけ回転させた場合を考えると、この時の起磁力分布はＦ（θ＋Δθ）となり、一方、パーミアンス分布は固定部が回転しないため、Ｒ（θ）である。そして、高速ロータがΔθ回転した時点の固定部の磁極片の外周の磁束φ（θ＋Δθ）は、下記式（２）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）において、磁束φ（θ＋Δθ）の第１項中のＮｈは、（θ＋Δθ）つまり、＋Δθ成分が存在することから、高速ロータ１００と同一速度で回転している成分であることが判る。一方、第２項中の、ＮＳ－ＮｈとＮＳ＋Ｎｈとは、どちらも高速ロータ１００とは異なる速度の高調波であり、すなわち、ＮＳ－Ｎｈについては、高速ロータ１００のΔθの回転に対して、－ＮｈΔθ／（ＮＳ－Ｎｈ）だけ回転するものであり、また、ＮＳ＋Ｎｈについては、高速ロータのΔθの回転に対して、ＮｈΔθ／（ＮＳ＋Ｎｈ）だけ回転するものであるから、いずれも回転速度が基本成分とは異なることが判る。そして、上記低速ロータ３００の数を、ＮＳ－ＮｈかＮＳ＋Ｎｈの一方に設定すると、設定された側について、前記異なる回転速度で低速ロータ３００は回転することになる。
　そのためには、低速ロータ３００の磁極の数をＮｌとするとき、Ｎｌ＝ＮＳ－Ｎｈ、あるいはＮｌ＝ＮＳ＋Ｎｈに設定、すなわち、これを書き替えると、ＮＳ＝Ｎｌ＋Ｎｈ、あるいはＮＳ＝Ｎｌ－Ｎｈ（すなわち、ＮＳ＝Ｎｌ±Ｎｈ）となる。これが磁気減速機構の成立条件となる。
　また、減速比Ｇｒは、Ｇｒ＝±Ｎｌ／Ｎｈとなる。なお、減速比Ｇｒが正の場合は、高速ロータ１００と低速ロータ３００とが同一方向に回転することを示しており、減速比Ｇｒが負の場合は、高速ロータ１００と低速ロータ３００とが逆方向に回転することを示している。しかしながら、固定子を機械的に回転させる駆動源、典型的にはモータを付加する等が必要となり、機構が複雑になり、かつ大型化し、高価になるという新たな問題が生じる。
　（実施の形態）
　そこで、本発明は、図１に示す従来の磁気減速機構に対して、固定部の磁極片に巻線を設置し、２つのロータにトルクを発生させることができる回転電機とする。
　本発明の一実施形態（図３）では、外側より磁性材料３１および永久磁石３０を有する低速ロータ３、磁極片２０に巻かれたコイル２１を有する固定部２、永久磁石１１および磁性材料１０を有する高速ロータ１から構成されている。ここで、高速ロータ１と低速ロータ３は、それぞれ、第１ロータおよび第２ロータの一例であり、それらを入れ替えても動作原理が成立するが、実施形態では多極である低速ロータ３を外側に配置している。また、磁極片２０に巻かれたコイル２１は、短節集中巻きを構成しているが、巻線方法はこれに限らない。
　このように、実施形態に係る回転電機は、径方向内側より第１ロータと、周方向に複数の磁極片２０と巻線（コイル２１）を有する固定部２と、第２ロータとがそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなる。第１ロータおよび第２ロータは、磁性材料１０および３１と永久磁石１１および３０または電磁石で構成されている。巻線は、第１ロータおよび第２ロータに電磁力トルクを発生し、電磁力トルクは、第１ロータの回転によって第２ロータに磁気伝達されるか、または第２ロータの回転によって第１ロータに磁気伝達され、第１ロータまたは第２ロータの任意の一方のロータに、電磁力トルクともう一方のロータによって磁気伝達されるトルクが重畳される。
　次に、本発明の動作原理を説明する。高速ロータ１の極対数および低速ロータ３の極対数、固定部２の磁極片数が先に示した磁気減速機構の成立条件を満たすことが前提である。つまり、固定部２の磁極の数をＮＳ、第１ロータの極数をＮＬ、第２ロータの極数をＮＨとするとき、ＮＳ＝ＮＬ＋ＮＨおよびＮＳ＝ＮＬ－ＮＨのいずれか一方に設定して第１ロータと第２ロータを磁気カップリングする。高速ロータ１が回転数ωHで回転するとき、固定部２のコイル２１に発生する逆起電圧の周波数FHはＮＨωＨとなる。一方、低速ロータ３の回転数ωLはωＨ／Ｇｒとなり、低速ロータ３の回転によって、固定部２のコイル２１に発生する逆起電圧の周波数FLはＮＬωＬ＝（ＧｒＮＨ）（ωＨ／Ｇｒ）＝ＦＨとなる。以上より、磁気減速機構の成立条件を満たす本発明の回転電機の、高速ロータ１および低速ロータ３のそれぞれの回転によって固定部２のコイル２１に発生する逆起電圧の周波数は同一となる。したがって、磁気減速機構の成立条件を満たし、高速ロータ１と固定部２の磁極片数および低速ロータ３と固定部２の磁極片数が、例えば３相永久磁石ブラシレスモータとして回転可能な組み合わせであるとき、固定部２のコイル２１に印加する電流によって、両ロータにトルクが発生する。
　低速ロータ３の出力がωLで一定回転しているとする。固定部２のコイル２１に周波数ωH、電流Iを印加した時に高速ロータ１に発生するトルクTHはトルク定数ktHを用いてＴＨ＝ｋｔＨＩ、また低速ロータ３に発生するトルクTLはトルク定数ktLを用いてＴＬ＝ｋｔＬＩとなる。
　コイル２１電流によって高速ロータ１に発生するトルクは磁気減速機としての動作によって生じる低速ロータ３からの反力トルクに等しく、そのトルクは低速ロータには減速比倍されて伝達される。したがって、低速ロータ３から出力されるトルクTOは損失を無視するとＴｏ＝ＴＬ＋ＧｒＴＨとなり、固定部巻線により低速ロータ３に発生した電磁力トルクと高速ロータ１によって磁気伝達されるトルクを重畳させられることが判る。つまり、第１ロータまたは第２ロータの任意の一方のロータを、もう一方のロータにより磁気伝達されるトルクを重畳させることで加減速させることができる。
　次に、かかる原理に基づいて磁気減速構造モデルを作成し、効果試験をシミュレーションした。なお、回転電機モデルは、下記の諸要素で作成されている。
　高速ロータ極対数の極対数：４
　低速ロータ極対数の極対数：８
　固定部の磁極片数：１２
　減速比：－２　（＝－８／４）
　最外径：１１０ｍｍ
　軸方向長さ：８０ｍｍ
　コイルのターン数：１０
　永久磁石の磁化：１．２８Ｔ
　まず、固定部コイルの電流印可によって、高速ロータ、低速ロータそれぞれにトルクが発生するか確認するため、高速ロータと低速ロータを減速比にしたがって回転させたときの逆起電圧を確認する。
　次に示す条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）でステータのコイルに発生する逆起電圧を求めた。
（ａ）低速ロータを固定し、高速ロータを－６０ｒ／ｍｉｎで強制回転
（ｂ）高速ロータを固定し、低速ロータを３０ｒ／ｍｉｎで強制回転
（ｃ）高速ロータを－６０ｒ／ｍｉｎ、低速ロータを３０ｒ／ｍｉｎで強制回転
　この結果を図４に示す。（ａ）、（ｂ）の条件で発生する逆起電圧の電圧位相は等しく、両ロータを減速比通りに回転させた条件（ｃ）の逆起電圧は条件（ａ）、（ｂ）の逆起電圧の足し合わせに等しい。したがって、固定部コイルに３相正弦波電流を印可することで、高速ロータと低速ロータそれぞれにトルクを発生させることができることが判る。
　続いて、磁気伝達機構として、高速ロータのトルクが低速ロータに伝達されるか確認するため、高速ロータを固定し、磁気的な安定位置から低速ロータを強制回転させて、磁気的な安定位置からの２つのロータ角度(位相)差によって発生する伝達トルクを求めた。この結果を図５に示す。両ロータの最大伝達トルクは位相差約１１．２５ｄｅｇ．時に発生し、高速ロータおよび低速ロータの最大伝達トルクは、それぞれ３８．６Ｎｍ、８５．８Ｎｍである。このことから、低速ロータのトルクと高速ロータのトルクはほぼ減速比通りにトルクを発生させていることがわかるが、理論値との差はコギングトルクによって生じている。
　トルク重畳の効果を確認するために、高速ロータを－６０ｒ／ｍｉｎ、低速ロータを３０ｒ／ｍｉｎで強制回転させ、正弦波電流を印加し、さらに高速ロータと低速ロータの位相を変えたときの低速ロータのトルクを求めた。この結果を図６に示す。位相差に関わらず、低速ロータのトルクは電流増加に伴って増加している。位相差を４ｄｅｇ．とし、コイルに振幅１５０Ａの起磁力を印加した時の低速ロータのトルクは８９Ｎｍであり、電流を印加していない時より、トルクは４４Ｎｍ増加している。
　本発明の回転電機は、電流を印加していないときの低速ロータのトルクが高速ロータとの位相差によって生じる伝達トルクと同等であり、これは従来の磁気減速機構をもつ回転電機においても成立する。位相差が一定の状態で電流の増加に伴って低速ロータのトルクが増加していることから、高速ロータから受ける磁気減速機としての反力トルクとコイルの起磁力によって低速ロータに発生するトルクが重畳されていることが判る。
　最後に、動作の検証をするため初期位相差を４ｄｅｇ．とし、コイルに振幅１５０Ａの起磁力を印加した時の動作を検証する。ここでは、高速ロータを６０ｒ／ｍｉｎで回転させ、高速ロータの回転位置に合わせて電流を入力している。このとき、低速ロータに負荷Ｌ=８９．５Ｎｍを与え、各ロータに発生するトルクおよび低速ロータの回転数を求めた。この結果を図７および図８に示す。
　高速ロータおよび低速ロータの平均トルクは、図７よりそれぞれ－２．１Ｎｍ、８８．８Ｎｍであり、図８より、低速ロータの平均回転数は２９．８ｒ／ｍｉｎであった。高速ロータの平均トルクは、理論上ゼロになるはずであるが、トルクリップルおよび平均処理を行う区間が影響し、ゼロになっていない。また、両ロータの回転速度比は、ほぼ減速比通りになっている。最後に、低速ロータのトルクは８９Ｎｍ程度を中心に振動しており、時刻ゼロからほとんど変化していないことがわかる。これは、両ロータの位相差は平均４ｄｅｇ．を保っており、図５より、１５０Ａの起磁力によって低速ロータにトルクが発生していることを表している。つまり、磁気減速機としての反力トルクとコイル電流によるトルクが重畳され、低速ロータから出力されている。
　以上、本開示に係る回転電機について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
　実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示は、磁気減速機構を用いた回転電機全般に利用することができる。
１、１００　高速ロータ
２　固定部
３、３００　低速ロータ
１０、３１　磁性材料
１１、３０　永久磁石
２０、２０１　磁極片
２１　コイル
１０２　磁極対
２００　固定部

Claims (3)

  1. 　径方向内側より第１ロータと、周方向に複数の磁極片と巻線を有する固定部と、第２ロータとがそれぞれ隙間を置いて同軸上に配置されてなり、
    　前記第１ロータおよび前記第２ロータは、磁性材料と永久磁石または電磁石で構成されており、
    　前記巻線は、前記第１ロータおよび前記第２ロータに電磁力トルクを発生し、
    　前記電磁力トルクは、前記第１ロータの回転によって前記第２ロータに磁気伝達されるか、または前記第２ロータの回転によって前記第１ロータに磁気伝達され、
    　前記第１ロータまたは前記第２ロータの任意の一方のロータに、前記電磁力トルクともう一方のロータによって磁気伝達されるトルクが重畳される、回転電機。
  2. 　前記固定部の磁極の数をＮＳ、前記第１ロータの極数をＮＬ、前記第２ロータの極数をＮＨとするとき、ＮＳ＝ＮＬ＋ＮＨおよびＮＳ＝ＮＬ－ＮＨのいずれか一方に設定して前記第１ロータと前記第２ロータが磁気カップリングされる、請求項１記載の回転電機。
  3. 　前記第１ロータまたは前記第２ロータの任意の一方のロータは、もう一方のロータにより前記磁気伝達されるトルクが重畳されることで加減速される、請求項１または請求項２記載の回転電機。
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