変速機構付き回転電機
【課題】回転電機の回転子に発生する動力を磁気歯車変速機構で変速して伝達する場合に、回転子に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量を増加させることで動力伝達を効率よく行う。
【解決手段】磁気歯車変速機構４０のサン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線を共有巻線７２によって共有化し、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線に共通の電流が流れることで、ロータ１４に発生するトルクとサン磁気歯車４１の界磁磁束量が比例関係となり、ロータ１４に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量が増加する。
【解決手段】磁気歯車変速機構４０のサン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線を共有巻線７２によって共有化し、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線に共通の電流が流れることで、ロータ１４に発生するトルクとサン磁気歯車４１の界磁磁束量が比例関係となり、ロータ１４に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量が増加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変速機構付き回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、様々な分野における動力源として回転電機が用いられている。回転電機の回転子に発生した動力は、変速機構で変速されてから負荷の駆動に用いられることが多い。変速機構は機械式の歯車機構を用いたものが主流であるが、近年の磁石の高性能化に伴って磁気歯車機構を用いた変速機構も開発されており、その一例が下記特許文献１や非特許文献１に開示されている。特許文献１や非特許文献１の磁気歯車変速機構は、磁気波動歯車機構であり、小型でも大きな減速比を得ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０６９４０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K.Atallah他,"Design,analysis and realization of a high-performance magnetic gear",IEE Proc.-Elecr. Power Appl.,Vol.151,No.2,March,2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１や非特許文献１の磁気歯車変速機構では、永久磁石の界磁磁束を利用してトルクを伝達するが、伝達するトルクが小さいときでも、永久磁石の界磁磁束量は変わらないため、余分に界磁磁束を流していることになり、その分、損失増加の要因となる。回転電機の回転子に発生する動力を磁気歯車変速機構で変速して伝達する場合に、動力伝達を効率よく行うためには、回転子に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量を増加できることが望ましい。
【０００６】
本発明は、回転電機の回転子に発生する動力を磁気歯車変速機構で変速して伝達する場合に、回転子に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量を増加させることで、動力伝達を効率よく行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る変速機構付き回転電機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明に係る変速機構付き回転電機は、固定子巻線が設けられた固定子と、回転子巻線が設けられた回転子とを含む誘導機と、回転子に連結された入力側磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素と連動して回転する出力側磁気歯車要素とを含み、回転子の動力を変速して出力する磁気歯車変速機構と、を備え、磁気歯車変速機構においては、入力側磁気歯車要素の回転に連動して出力側磁気歯車要素がその中心軸まわりに回転するとともに入力側磁気歯車要素の中心軸まわりに周回する条件と、入力側磁気歯車要素の極数が出力側磁気歯車要素の極数と異なる条件とのいずれか１つ以上が成立し、入力側磁気歯車要素に界磁巻線が設けられ、界磁巻線に電流が流れることで入力側磁気歯車要素に磁極が形成され、界磁巻線と回転子巻線が共有化または接続されていることを要旨とする。
【０００９】
本発明の一態様では、界磁巻線と回転子巻線が整流回路を介して接続されており、整流回路は、回転子巻線の交流電流を直流に整流して界磁巻線に流すことが好適である。
【００１０】
本発明の一態様では、磁気歯車変速機構は、回転が固定されたリング磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素として、リング磁気歯車要素の内側に配置されたサン磁気歯車要素と、出力側磁気歯車要素として、出力軸に回転自在に支持され、リング磁気歯車要素及びサン磁気歯車要素と磁気的に結合する遊星磁気歯車要素と、を含むことが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、誘導機の回転子に発生するトルクと磁気歯車変速機構の入力側磁気歯車要素に発生する界磁磁束量が比例関係となり、回転子に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量が増加することで、磁気歯車変速機構での動力伝達を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１４】
図１〜４は本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図であり、図１は入力軸２０と直交する方向から見た内部構成の概略を示す断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図を示し、図３は図１のＢ−Ｂ断面図を示し、図４は変速機構のスケルトン図と回転電機の回路図を示す。本実施形態に係る変速機構付き回転電機は、誘導機１０と、磁気歯車変速機構４０と、を備える。
【００１５】
誘導機１０は、ケーシング１１に固定されることで回転が固定されたステータ１２と、入力軸２０に機械的に連結され、ステータ１２に対し相対回転可能なロータ１４と、を備える。図１，２に示す例では、入力軸２０と直交する径方向においてステータ１２とロータ１４が所定の微小空隙を空けて対向配置され、ステータ１２がロータ１４より径方向外側の位置に配置されている。ステータ１２は、ステータコア２１と、ステータコア２１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）のステータ巻線２２と、を含む。ステータコア２１には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のステータティース２３が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ステータティース２３間にスロットが形成されている。ステータ巻線２２がステータティース２３間のスロットを通ってステータティース２３に巻装されることで、ステータ１２に磁極が構成される。ステータ巻線２２に流す電流は、制御回路３０により制御される。制御回路３０は、例えばインバータを含んで構成され、インバータのスイッチング制御によりステータ巻線２２に流す交流電流の振幅や位相角を制御することが可能である。
【００１６】
ロータ１４は、ロータコア３１と、ロータコア３１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）のロータ巻線として用いられる共有巻線７２と、を含む。ロータコア３１には、径方向外側へ（ステータ１２へ向けて）突出する複数のロータティース３３が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ロータティース３３間にスロットが形成されている。共有巻線７２がロータティース３３間のスロットを通ってロータティース３３に巻装されることで、ロータ１４に磁極が構成される。ステータティース２３とロータティース３３が周方向に関して全周に渡って対向配置されていることで、ステータ１２とロータ１４が周方向に関して全周に渡って磁気的に結合される。
【００１７】
磁気歯車変速機構４０は、ケーシング１１に固定されることで回転が固定されたリング磁気歯車４２と、リング磁気歯車４２の内側（径方向内側）に配置された入力側磁気歯車要素としてのサン磁気歯車４１と、リング磁気歯車４２の周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）並べられ、各々がリング磁気歯車４２とサン磁気歯車４１との間に配置された出力側磁気歯車要素としての複数（図３に示す例では４つ）のピニオン磁気歯車（遊星磁気歯車）４３と、各ピニオン磁気歯車４３を回転自在に支持するキャリアとして機能する出力軸４４と、を含む遊星磁気歯車機構である。リング磁気歯車４２とサン磁気歯車４１の中心軸は互いに一致している。各ピニオン磁気歯車４３の中心軸は、リング磁気歯車４２及びサン磁気歯車４１の中心軸に対して平行であり、所定距離をおいて配置されている。
【００１８】
リング磁気歯車４２は、コア部材６１と、コア部材６１の内周面に配設された複数の永久磁石６２と、を含む。複数の永久磁石６２は、リング磁気歯車４２の周方向において磁極が交互する（Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ）ように、各々の着磁方向が設定されている。各ピニオン磁気歯車４３は、コア部材６３と、コア部材６３の外周面に配設された複数の永久磁石６４と、を含む。複数の永久磁石６４は、ピニオン磁気歯車４３の周方向において磁極が交互する（Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ）ように、各々の着磁方向が設定されている。各ピニオン磁気歯車４３の永久磁石６４の一部がリング磁気歯車４２の永久磁石６２の一部と微小空隙を空けて対向することで、各ピニオン磁気歯車４３がリング磁気歯車４２と周方向に関して部分的に磁気的に結合する。この磁気的な結合部分４７に作用する磁気力を利用して、各ピニオン磁気歯車４３とリング磁気歯車４２との間でトルクを伝達することが可能である。各ピニオン磁気歯車４３がリング磁気歯車４２に対して相対回転するのに伴って、磁気的に結合する永久磁石６２，６４が入れ替わる。
【００１９】
サン磁気歯車４１は、入力軸２０に機械的に連結されていることで、入力軸２０を介して誘導機１０のロータ１４に機械的に連結されている。サン磁気歯車４１の外径はロータ１４の外径と等しく設定されている。サン磁気歯車４１は、コア部材５１と、コア部材５１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）の界磁巻線として用いられる共有巻線７２と、を含む。コア部材５１には、径方向外側へ（各ピニオン磁気歯車４３へ向けて）突出する複数のティース５３が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ティース５３間にスロットが形成されている。サン磁気歯車４１のティース５３の総数はロータティース３３の総数と等しく（サン磁気歯車４１の極数はロータ１４の極数と等しく）、各ティース５３と各ロータティース３３は、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置されている。
【００２０】
本実施形態では、共有巻線７２が、ロータティース３３間のスロットだけでなくティース５３間のスロットも通って、ロータティース３３だけでなくティース５３にも巻装されることで、サン磁気歯車４１に磁極が構成される。つまり、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線が、共有巻線７２によって共有化されている。各ピニオン磁気歯車４３の永久磁石６４の一部がサン磁気歯車４１のティース５３の一部と微小空隙を空けて対向することで、各ピニオン磁気歯車４３がサン磁気歯車４１と周方向に関して部分的に磁気的に結合する。この磁気的な結合部分４８に作用する磁気力を利用して、各ピニオン磁気歯車４３とサン磁気歯車４１との間でトルクを伝達することが可能である。各ピニオン磁気歯車４３とサン磁気歯車４１との相対回転に伴って、磁気的に結合する永久磁石６４とティース５３が入れ替わる。サン磁気歯車４１とリング磁気歯車４２と各ピニオン磁気歯車４３とで、極数と直径（サン磁気歯車４１及びピニオン磁気歯車４３は外径、リング磁気歯車４２は内径）との比が互いに等しくなるように、サン磁気歯車４１とリング磁気歯車４２と各ピニオン磁気歯車４３の極数及び直径がそれぞれ設定される。図３に示す例では、サン磁気歯車４１における３つのティース５３が１つの磁極分に相当する。
【００２１】
誘導機１０では、複数相（例えば３相）のステータ巻線２２に複数相（例えば３相）の交流電流が流れることで、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に発生する。ステータ１２に発生した回転磁界がロータ１４に作用するのに応じて、ロータ１４に配設された共有巻線７２に誘導起電力が発生して誘導電流（交流電流）が流れる。この回転磁界と誘導電流との電磁気相互作用により、ステータ１２からロータ１４にトルクが作用して、ロータ１４が入力軸２０及びサン磁気歯車４１とともに回転駆動する。このように、誘導機１０を、ステータ巻線２２への供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。制御回路３０は、例えばインバータのスイッチング制御によりステータ巻線２２に流す交流電流の振幅や位相角を制御することで、誘導機１０のステータ１２とロータ１４との間に作用するトルクを制御することができる。
【００２２】
さらに、磁気歯車変速機構４０では、共有巻線７２（界磁巻線）に誘導電流が流れることで、サン磁気歯車４１に磁極が形成される。そして、各ピニオン磁気歯車４３の永久磁石６４の磁界とサン磁気歯車４１の共有巻線７２の誘導電流との電磁気相互作用により、各ピニオン磁気歯車４３とサン磁気歯車４１との磁気的な結合部分４８にトルクが作用する。これによって、サン磁気歯車４１の回転と連動して、各ピニオン磁気歯車４３がその中心軸まわりに回転（自転）する。その際には、各ピニオン磁気歯車４３と回転が固定されたリング磁気歯車４２との磁気的な結合部分４７にトルクが作用することで、各ピニオン磁気歯車４３がサン磁気歯車４１の中心軸まわりに周回（公転）し、各ピニオン磁気歯車４３を回転支持する出力軸４４が回転駆動する。これによって、誘導機１０のロータ１４に発生した動力を変速（減速）して出力軸４４から出力することができ、磁気歯車変速機構４０は減速機として機能する。
【００２３】
ここで、誘導機１０において、ステータ１２に形成される回転磁界の回転速度をＮｅ、ロータ１４の回転速度をＮｍ、すべりをｓとすると、以下の（１）式が成立し、磁気歯車変速機構４０において、サン磁気歯車４１の極数をＺｓ、各ピニオン磁気歯車４３の極数をＺｐ、リング磁気歯車４２の極数をＺｒとすると、以下の（２）式が成立する。
【００２４】
Ｎｅ＝Ｎｍ／(１−ｓ) （１）
Ｚｒ＝Ｚｓ＋２×Ｚｐ （２）
【００２５】
（１）、（２）式より、サン磁気歯車４１の回転速度Ｎｓ(＝Ｎｍ)、各ピニオン磁気歯車４３の回転速度Ｎｐ、出力軸４４の回転速度Ｎｃに関して、以下の（３）、（４）式が成立する。磁気歯車変速機構４０での変速比（減速比）Ｎｓ／Ｎｃは、（４）式より、２×(Ｚｓ＋Ｚｐ)／Ｚｓ×(１−ｓ)となる。
【００２６】
Ｎｐ＝Ｚｓ／Ｚｐ×Ｎｓ／(１−ｓ) （３）
Ｎｃ＝Ｚｓ／(２×(Ｚｓ＋Ｚｐ))×Ｎｓ／(１−ｓ) （４）
【００２７】
誘導機１０では、ロータ巻線に流れる交流電流の大きさとロータ１４に発生するトルクが比例関係にあり、磁気歯車変速機構４０では、サン磁気歯車４１の界磁巻線に流れる界磁電流の大きさと伝達トルク容量が比例関係にある。本実施形態では、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線を共有巻線７２によって共有化し、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線に共通の電流が流れることで、ロータ１４に発生するトルクとサン磁気歯車４１の界磁磁束量が比例関係となり、ロータ１４に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量が増加する。そして、制御回路３０によりステータ巻線２２に流す交流電流の振幅や位相角を制御することで、ロータ１４に発生するトルク、及び磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量の両方が、この比例関係を保ちながら制御される。共有巻線７２に流れる電流が小さく、ロータ１４に発生するトルクが小さいときには、サン磁気歯車４１が余分な界磁磁束を発生することなく、磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量が小さくなるため、ロータ１４の動力が磁気歯車変速機構４０で効率よく減速されて出力軸４４から出力される。一方、共有巻線７２に流れる電流が大きく、ロータ１４に発生するトルクが大きいときには、サン磁気歯車４１が大トルク伝達に十分な界磁磁束を発生し、磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量が大きくなるため、ロータ１４の動力が磁気歯車変速機構４０で大きく減少することなく減速されて出力軸４４から出力される。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線を共有巻線７２によって共有化することで、磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量をロータ１４に発生するトルクに比例して制御することができ、ロータ１４の動力を磁気歯車変速機構４０で効率よく減速して出力軸４４から出力することができる。さらに、誘導機１０と磁気歯車変速機構４０の一体化が容易となり、製造コストを下げることができる。その際に、サン磁気歯車４１の極数がロータ１４の極数と等しい場合は、同じ断面形状の鉄心を用いてサン磁気歯車４１とロータ１４を構成可能であるため、製造コストをさらに下げることができる。また、磁気歯車変速機構４０側からトルクが加わった場合でも共有巻線７２に界磁電流（誘導電流）が流れるため、誘導機１０を発電機として機能させることもでき、誘導機１０の回生動作が可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。
【００３０】
図５に示す構成例では、誘導機１０のロータ巻線３２がロータティース３３間のスロットを通ってロータティース３３に巻装されることで、ロータ１４に磁極が構成され、磁気歯車変速機構４０の界磁巻線５２がティース５３間のスロットを通ってティース５３に巻装されることで、サン磁気歯車４１に磁極が構成される。そして、ロータ１４に配設されたロータ巻線３２とサン磁気歯車４１に配設された界磁巻線５２が、入力軸２０に取り付けられた接続端子７４を介して電気的に接続されている。図５に示す構成例によれば、サン磁気歯車４１の極数をロータ１４の極数と異ならせる（サン磁気歯車４１のティース５３の総数をロータティース３３の総数と異ならせる）ことで、ロータ１４のトルクに対する磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量の関係を調整することができ、磁気歯車変速機構４０の設計の自由度が増す。
【００３１】
また、例えば図６に示すように、磁気歯車変速機構４０の軸方向長さを誘導機１０の軸方向長さと異ならせる、より具体的には、サン磁気歯車４１とピニオン磁気歯車４３の磁気的な結合部分４８の軸方向長さ、及びリング磁気歯車４２とピニオン磁気歯車４３の磁気的な結合部分４７の軸方向長さを、ステータ１２とロータ１４の対向部分の軸方向長さと異ならせることもできる。図６に示す例では、サン磁気歯車４１とピニオン磁気歯車４３の磁気的な結合部分４８の軸方向長さ、及びリング磁気歯車４２とピニオン磁気歯車４３の磁気的な結合部分４７の軸方向長さが、ステータ１２とロータ１４の対向部分の軸方向長さよりも長い。図６に示す構成例によれば、ロータ１４のトルクに対して磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量を増加させることができ、磁気歯車変速機構４０の設計の自由度が増す。
【００３２】
また、例えば図７に示すように、磁気歯車変速機構４０のサン磁気歯車４１の外径を誘導機１０のロータ１４の外径と異ならせることもできる。図７は、サン磁気歯車４１の外径がロータ１４の外径よりも小さい例を示しているが、サン磁気歯車４１の外径をロータ１４の外径よりも大きくすることも可能である。図７に示す構成例でも、ロータ１４のトルクに対する磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量の関係を調整することができ、磁気歯車変速機構４０の設計の自由度が増す。
【００３３】
また、図８，９に示す構成例では、ロータ１４に配設されたロータ巻線３２とサン磁気歯車４１に配設された界磁巻線５２が、入力軸２０に取り付けられた整流回路７６を介して電気的に接続されている。ここでの整流回路７６は、ロータ巻線３２の交流電流を直流に整流して界磁巻線５２に流す。より具体的には、整流回路７６は、ダイオードブリッジにより構成され、ロータ巻線３２の各相３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ毎にそれぞれ対応して設けられ、互いに並列接続された複数（図９では３本）の整流アーム８３，８４，８５を備える。整流アーム８３においては、直列接続された１対のダイオード（整流素子）Ｄ１１，Ｄ１２間の中点８６とロータ巻線３２Ｕの一端が電気的に接続されている。同様に、整流アーム８４においては、直列接続された１対のダイオードＤ１３，Ｄ１４間の中点８７とロータ巻線３２Ｖの一端が電気的に接続され、整流アーム８５においては、直列接続された１対のダイオードＤ１５，Ｄ１６間の中点８８とロータ巻線３２Ｗの一端が電気的に接続されている。そして、ロータ巻線３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの他端同士が互いに電気的に接続されている。界磁巻線５２Ｎの一端は整流アーム８３，８４，８５（ダイオードＤ１１，Ｄ１３，Ｄ１５）のカソード端と電気的に接続され、界磁巻線５２Ｓの一端は整流アーム８３，８４，８５（ダイオードＤ１２，Ｄ１４，Ｄ１６）のアノード端と電気的に接続されている。そして、界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓの他端同士が互いに電気的に接続されている。整流回路７６は、ロータ巻線３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの３相交流電流をダイオード（整流素子）Ｄ１１〜Ｄ１６により直流に整流して界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓに流すことが可能である。
【００３４】
界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓは、サン磁気歯車４１の周方向において界磁巻線５２Ｎと界磁巻線５２Ｓが交互に並ぶように、ティース５３に巻装されている。さらに、界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓに直流電流が流れる場合に、界磁巻線５２Ｎが巻装されたティース５３と、界磁巻線５２Ｓが巻装されたティース５３とで、磁化方向が互いに逆方向となって異なる磁極の磁石が形成されるように、界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓのティース５３への巻回方向がそれぞれ設定されている。これによって、界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓに直流電流が流れる場合に、サン磁気歯車４１の周方向においてＮ極とＳ極が交互に並ぶように、各ティース５３に磁極の固定された磁石が形成される。図８に示す例では、サン磁気歯車４１における１つのティース５３が１つの磁極分に相当する。
【００３５】
図８，９に示す構成例において、誘導機１０のロータ巻線３２に誘導電流が流れてロータ１４にトルクが発生すると、サン磁気歯車４１の界磁巻線５２に整流回路７６で整流された直流電流が流れることで、サン磁気歯車４１の各ティース５３に磁極の固定された磁石が形成される。そして、各ピニオン磁気歯車４３の永久磁石６４の磁界とサン磁気歯車４１のティース５３に形成された磁石の磁界との吸引及び反発作用により、各ピニオン磁気歯車４３とサン磁気歯車４１との磁気的な結合部分４８にトルクが作用する。これによって、サン磁気歯車４１の回転と連動して、各ピニオン磁気歯車４３がその中心軸まわりに回転（自転）する。さらに、前述のように、各ピニオン磁気歯車４３と回転が固定されたリング磁気歯車４２との磁気的な結合部分４７にトルクが作用して、各ピニオン磁気歯車４３がサン磁気歯車４１の中心軸まわりに周回（公転）することで、ロータ１４に発生した動力が減速されて出力軸４４から出力される。
【００３６】
図８，９に示す構成例においても、ロータ１４に発生するトルクとサン磁気歯車４１の界磁磁束量が比例関係となり、制御回路３０によりステータ巻線２２に流す交流電流の振幅や位相角を制御することで、ロータ１４に発生するトルクと磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量の両方が比例関係を保ちながら制御される。さらに、図８，９に示す構成例によれば、サン磁気歯車４１と各ピニオン磁気歯車４３とで磁界が同期して回転するため、トルク伝達効率をさらに向上させることができる。また、サン磁気歯車４１のティース５３に界磁巻線５２を直接施すことで、集中巻きが可能であり、サン磁気歯車４１の製造が容易となる。また、磁気歯車変速機構４０側（サン磁気歯車４１側）で誘導電流を発生させるわけではないので、サン磁気歯車４１の形状の自由度が高まる。例えばサン磁気歯車４１をクローポール型で構成することも可能となる。
【００３７】
以上の説明では、磁気歯車変速機構４０が遊星磁気歯車機構であり、リング磁気歯車４２の回転が固定されている例について説明した。ただし、本実施形態では、リング磁気歯車４２の回転を固定せずに、各ピニオン磁気歯車４３を回転支持するキャリアの回転を固定することも可能である。その場合は、リング磁気歯車４２が出力側磁気歯車要素として機能し、リング磁気歯車４２の極数がサン磁気歯車４１の極数と異なる（リング磁気歯車４２の極数がサン磁気歯車４１の極数より大きい）ことで、ロータ１４に発生した動力が減速されてリング磁気歯車４２から出力される。また、本実施形態では、磁気歯車変速機構４０を遊星磁気歯車機構以外の磁気歯車機構により構成することも可能である。例えば磁気歯車変速機構４０を、ロータ１４に機械的に連結された入力側磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素と磁気的に結合する出力側磁気歯車要素とを含んで構成することも可能である。その場合は、入力側磁気歯車要素はサン磁気歯車４１と同様の構造で構成可能であり、出力側磁気歯車要素はピニオン磁気歯車４３と同様の構造で構成可能であり、出力側磁気歯車要素の極数及び直径を入力側磁気歯車要素の極数及び直径と異ならせる（例えば出力側磁気歯車要素の極数及び直径を入力側磁気歯車要素の極数及び直径より大きくする）ことで、ロータ１４に発生した動力が変速（減速）されて出力側磁気歯車要素から出力される。また、本実施形態では、磁気歯車変速機構４０は、減速機構以外に、ロータ１４に発生した動力を増速して出力する増速機構であってもよい。
【００３８】
また、本実施形態では、例えば特許文献１や非特許文献１等に開示されている磁気波動歯車機構を磁気歯車変速機構４０に適用することも可能である。その場合の磁気波動歯車機構は、ロータ１４に機械的に連結された入力側磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素と磁気的に結合し、回転が固定された固定磁気歯車要素と、固定磁気歯車要素と磁気的に結合する出力側磁気歯車要素とを含んで構成可能である。入力側磁気歯車要素には、永久磁石の代わりに、誘導機１０のロータ巻線と共有化または接続された界磁巻線を配設し、界磁巻線に電流を流すことで、ロータ１４に発生するトルクと比例する界磁磁束を発生させる。固定磁気歯車要素には、入力側磁気歯車要素で発生した界磁磁束が通る複数の磁気歯が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、出力側磁気歯車要素には、固定磁気歯車要素の磁気歯を通過した界磁磁束が作用する複数の磁極または磁気歯が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。出力側磁気歯車要素の極数（磁極または磁気歯の数）を入力側磁気歯車要素の極数及び固定磁気歯車要素の磁気歯の歯数と異ならせることで、ロータ１４に発生した動力が変速（減速）されて出力側磁気歯車要素から出力される。
【００３９】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４０】
１０ 誘導機、１１ ケーシング、１２ ステータ、１４ ロータ、２０ 入力軸、２１ ステータコア、２２ ステータ巻線、２３ ステータティース、３０ 制御回路、３１ ロータコア、３２ ロータ巻線、３３ ロータティース、４０ 磁気歯車変速機構、４１ サン磁気歯車、４２ リング磁気歯車、４３ ピニオン磁気歯車、４４ 出力軸、５１，６１，６３ コア部材、５２ 界磁巻線、５３ ティース、６２，６４ 永久磁石、７２ 共有巻線、７４ 接続端子、７６ 整流回路、８３，８４，８５ 整流アーム、Ｄ１１〜Ｄ１６ ダイオード。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変速機構付き回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、様々な分野における動力源として回転電機が用いられている。回転電機の回転子に発生した動力は、変速機構で変速されてから負荷の駆動に用いられることが多い。変速機構は機械式の歯車機構を用いたものが主流であるが、近年の磁石の高性能化に伴って磁気歯車機構を用いた変速機構も開発されており、その一例が下記特許文献１や非特許文献１に開示されている。特許文献１や非特許文献１の磁気歯車変速機構は、磁気波動歯車機構であり、小型でも大きな減速比を得ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０６９４０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K.Atallah他,"Design,analysis and realization of a high-performance magnetic gear",IEE Proc.-Elecr. Power Appl.,Vol.151,No.2,March,2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１や非特許文献１の磁気歯車変速機構では、永久磁石の界磁磁束を利用してトルクを伝達するが、伝達するトルクが小さいときでも、永久磁石の界磁磁束量は変わらないため、余分に界磁磁束を流していることになり、その分、損失増加の要因となる。回転電機の回転子に発生する動力を磁気歯車変速機構で変速して伝達する場合に、動力伝達を効率よく行うためには、回転子に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量を増加できることが望ましい。
【０００６】
本発明は、回転電機の回転子に発生する動力を磁気歯車変速機構で変速して伝達する場合に、回転子に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量を増加させることで、動力伝達を効率よく行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る変速機構付き回転電機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明に係る変速機構付き回転電機は、固定子巻線が設けられた固定子と、回転子巻線が設けられた回転子とを含む誘導機と、回転子に連結された入力側磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素と連動して回転する出力側磁気歯車要素とを含み、回転子の動力を変速して出力する磁気歯車変速機構と、を備え、磁気歯車変速機構においては、入力側磁気歯車要素の回転に連動して出力側磁気歯車要素がその中心軸まわりに回転するとともに入力側磁気歯車要素の中心軸まわりに周回する条件と、入力側磁気歯車要素の極数が出力側磁気歯車要素の極数と異なる条件とのいずれか１つ以上が成立し、入力側磁気歯車要素に界磁巻線が設けられ、界磁巻線に電流が流れることで入力側磁気歯車要素に磁極が形成され、界磁巻線と回転子巻線が共有化または接続されていることを要旨とする。
【０００９】
本発明の一態様では、界磁巻線と回転子巻線が整流回路を介して接続されており、整流回路は、回転子巻線の交流電流を直流に整流して界磁巻線に流すことが好適である。
【００１０】
本発明の一態様では、磁気歯車変速機構は、回転が固定されたリング磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素として、リング磁気歯車要素の内側に配置されたサン磁気歯車要素と、出力側磁気歯車要素として、出力軸に回転自在に支持され、リング磁気歯車要素及びサン磁気歯車要素と磁気的に結合する遊星磁気歯車要素と、を含むことが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、誘導機の回転子に発生するトルクと磁気歯車変速機構の入力側磁気歯車要素に発生する界磁磁束量が比例関係となり、回転子に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構の伝達トルク容量が増加することで、磁気歯車変速機構での動力伝達を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の他の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１４】
図１〜４は本発明の実施形態に係る変速機構付き回転電機の概略構成を示す図であり、図１は入力軸２０と直交する方向から見た内部構成の概略を示す断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図を示し、図３は図１のＢ−Ｂ断面図を示し、図４は変速機構のスケルトン図と回転電機の回路図を示す。本実施形態に係る変速機構付き回転電機は、誘導機１０と、磁気歯車変速機構４０と、を備える。
【００１５】
誘導機１０は、ケーシング１１に固定されることで回転が固定されたステータ１２と、入力軸２０に機械的に連結され、ステータ１２に対し相対回転可能なロータ１４と、を備える。図１，２に示す例では、入力軸２０と直交する径方向においてステータ１２とロータ１４が所定の微小空隙を空けて対向配置され、ステータ１２がロータ１４より径方向外側の位置に配置されている。ステータ１２は、ステータコア２１と、ステータコア２１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）のステータ巻線２２と、を含む。ステータコア２１には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のステータティース２３が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ステータティース２３間にスロットが形成されている。ステータ巻線２２がステータティース２３間のスロットを通ってステータティース２３に巻装されることで、ステータ１２に磁極が構成される。ステータ巻線２２に流す電流は、制御回路３０により制御される。制御回路３０は、例えばインバータを含んで構成され、インバータのスイッチング制御によりステータ巻線２２に流す交流電流の振幅や位相角を制御することが可能である。
【００１６】
ロータ１４は、ロータコア３１と、ロータコア３１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）のロータ巻線として用いられる共有巻線７２と、を含む。ロータコア３１には、径方向外側へ（ステータ１２へ向けて）突出する複数のロータティース３３が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ロータティース３３間にスロットが形成されている。共有巻線７２がロータティース３３間のスロットを通ってロータティース３３に巻装されることで、ロータ１４に磁極が構成される。ステータティース２３とロータティース３３が周方向に関して全周に渡って対向配置されていることで、ステータ１２とロータ１４が周方向に関して全周に渡って磁気的に結合される。
【００１７】
磁気歯車変速機構４０は、ケーシング１１に固定されることで回転が固定されたリング磁気歯車４２と、リング磁気歯車４２の内側（径方向内側）に配置された入力側磁気歯車要素としてのサン磁気歯車４１と、リング磁気歯車４２の周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）並べられ、各々がリング磁気歯車４２とサン磁気歯車４１との間に配置された出力側磁気歯車要素としての複数（図３に示す例では４つ）のピニオン磁気歯車（遊星磁気歯車）４３と、各ピニオン磁気歯車４３を回転自在に支持するキャリアとして機能する出力軸４４と、を含む遊星磁気歯車機構である。リング磁気歯車４２とサン磁気歯車４１の中心軸は互いに一致している。各ピニオン磁気歯車４３の中心軸は、リング磁気歯車４２及びサン磁気歯車４１の中心軸に対して平行であり、所定距離をおいて配置されている。
【００１８】
リング磁気歯車４２は、コア部材６１と、コア部材６１の内周面に配設された複数の永久磁石６２と、を含む。複数の永久磁石６２は、リング磁気歯車４２の周方向において磁極が交互する（Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ）ように、各々の着磁方向が設定されている。各ピニオン磁気歯車４３は、コア部材６３と、コア部材６３の外周面に配設された複数の永久磁石６４と、を含む。複数の永久磁石６４は、ピニオン磁気歯車４３の周方向において磁極が交互する（Ｎ極とＳ極が交互に並ぶ）ように、各々の着磁方向が設定されている。各ピニオン磁気歯車４３の永久磁石６４の一部がリング磁気歯車４２の永久磁石６２の一部と微小空隙を空けて対向することで、各ピニオン磁気歯車４３がリング磁気歯車４２と周方向に関して部分的に磁気的に結合する。この磁気的な結合部分４７に作用する磁気力を利用して、各ピニオン磁気歯車４３とリング磁気歯車４２との間でトルクを伝達することが可能である。各ピニオン磁気歯車４３がリング磁気歯車４２に対して相対回転するのに伴って、磁気的に結合する永久磁石６２，６４が入れ替わる。
【００１９】
サン磁気歯車４１は、入力軸２０に機械的に連結されていることで、入力軸２０を介して誘導機１０のロータ１４に機械的に連結されている。サン磁気歯車４１の外径はロータ１４の外径と等しく設定されている。サン磁気歯車４１は、コア部材５１と、コア部材５１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）の界磁巻線として用いられる共有巻線７２と、を含む。コア部材５１には、径方向外側へ（各ピニオン磁気歯車４３へ向けて）突出する複数のティース５３が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ティース５３間にスロットが形成されている。サン磁気歯車４１のティース５３の総数はロータティース３３の総数と等しく（サン磁気歯車４１の極数はロータ１４の極数と等しく）、各ティース５３と各ロータティース３３は、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置されている。
【００２０】
本実施形態では、共有巻線７２が、ロータティース３３間のスロットだけでなくティース５３間のスロットも通って、ロータティース３３だけでなくティース５３にも巻装されることで、サン磁気歯車４１に磁極が構成される。つまり、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線が、共有巻線７２によって共有化されている。各ピニオン磁気歯車４３の永久磁石６４の一部がサン磁気歯車４１のティース５３の一部と微小空隙を空けて対向することで、各ピニオン磁気歯車４３がサン磁気歯車４１と周方向に関して部分的に磁気的に結合する。この磁気的な結合部分４８に作用する磁気力を利用して、各ピニオン磁気歯車４３とサン磁気歯車４１との間でトルクを伝達することが可能である。各ピニオン磁気歯車４３とサン磁気歯車４１との相対回転に伴って、磁気的に結合する永久磁石６４とティース５３が入れ替わる。サン磁気歯車４１とリング磁気歯車４２と各ピニオン磁気歯車４３とで、極数と直径（サン磁気歯車４１及びピニオン磁気歯車４３は外径、リング磁気歯車４２は内径）との比が互いに等しくなるように、サン磁気歯車４１とリング磁気歯車４２と各ピニオン磁気歯車４３の極数及び直径がそれぞれ設定される。図３に示す例では、サン磁気歯車４１における３つのティース５３が１つの磁極分に相当する。
【００２１】
誘導機１０では、複数相（例えば３相）のステータ巻線２２に複数相（例えば３相）の交流電流が流れることで、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に発生する。ステータ１２に発生した回転磁界がロータ１４に作用するのに応じて、ロータ１４に配設された共有巻線７２に誘導起電力が発生して誘導電流（交流電流）が流れる。この回転磁界と誘導電流との電磁気相互作用により、ステータ１２からロータ１４にトルクが作用して、ロータ１４が入力軸２０及びサン磁気歯車４１とともに回転駆動する。このように、誘導機１０を、ステータ巻線２２への供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。制御回路３０は、例えばインバータのスイッチング制御によりステータ巻線２２に流す交流電流の振幅や位相角を制御することで、誘導機１０のステータ１２とロータ１４との間に作用するトルクを制御することができる。
【００２２】
さらに、磁気歯車変速機構４０では、共有巻線７２（界磁巻線）に誘導電流が流れることで、サン磁気歯車４１に磁極が形成される。そして、各ピニオン磁気歯車４３の永久磁石６４の磁界とサン磁気歯車４１の共有巻線７２の誘導電流との電磁気相互作用により、各ピニオン磁気歯車４３とサン磁気歯車４１との磁気的な結合部分４８にトルクが作用する。これによって、サン磁気歯車４１の回転と連動して、各ピニオン磁気歯車４３がその中心軸まわりに回転（自転）する。その際には、各ピニオン磁気歯車４３と回転が固定されたリング磁気歯車４２との磁気的な結合部分４７にトルクが作用することで、各ピニオン磁気歯車４３がサン磁気歯車４１の中心軸まわりに周回（公転）し、各ピニオン磁気歯車４３を回転支持する出力軸４４が回転駆動する。これによって、誘導機１０のロータ１４に発生した動力を変速（減速）して出力軸４４から出力することができ、磁気歯車変速機構４０は減速機として機能する。
【００２３】
ここで、誘導機１０において、ステータ１２に形成される回転磁界の回転速度をＮｅ、ロータ１４の回転速度をＮｍ、すべりをｓとすると、以下の（１）式が成立し、磁気歯車変速機構４０において、サン磁気歯車４１の極数をＺｓ、各ピニオン磁気歯車４３の極数をＺｐ、リング磁気歯車４２の極数をＺｒとすると、以下の（２）式が成立する。
【００２４】
Ｎｅ＝Ｎｍ／(１−ｓ) （１）
Ｚｒ＝Ｚｓ＋２×Ｚｐ （２）
【００２５】
（１）、（２）式より、サン磁気歯車４１の回転速度Ｎｓ(＝Ｎｍ)、各ピニオン磁気歯車４３の回転速度Ｎｐ、出力軸４４の回転速度Ｎｃに関して、以下の（３）、（４）式が成立する。磁気歯車変速機構４０での変速比（減速比）Ｎｓ／Ｎｃは、（４）式より、２×(Ｚｓ＋Ｚｐ)／Ｚｓ×(１−ｓ)となる。
【００２６】
Ｎｐ＝Ｚｓ／Ｚｐ×Ｎｓ／(１−ｓ) （３）
Ｎｃ＝Ｚｓ／(２×(Ｚｓ＋Ｚｐ))×Ｎｓ／(１−ｓ) （４）
【００２７】
誘導機１０では、ロータ巻線に流れる交流電流の大きさとロータ１４に発生するトルクが比例関係にあり、磁気歯車変速機構４０では、サン磁気歯車４１の界磁巻線に流れる界磁電流の大きさと伝達トルク容量が比例関係にある。本実施形態では、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線を共有巻線７２によって共有化し、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線に共通の電流が流れることで、ロータ１４に発生するトルクとサン磁気歯車４１の界磁磁束量が比例関係となり、ロータ１４に発生するトルクの増加に応じて磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量が増加する。そして、制御回路３０によりステータ巻線２２に流す交流電流の振幅や位相角を制御することで、ロータ１４に発生するトルク、及び磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量の両方が、この比例関係を保ちながら制御される。共有巻線７２に流れる電流が小さく、ロータ１４に発生するトルクが小さいときには、サン磁気歯車４１が余分な界磁磁束を発生することなく、磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量が小さくなるため、ロータ１４の動力が磁気歯車変速機構４０で効率よく減速されて出力軸４４から出力される。一方、共有巻線７２に流れる電流が大きく、ロータ１４に発生するトルクが大きいときには、サン磁気歯車４１が大トルク伝達に十分な界磁磁束を発生し、磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量が大きくなるため、ロータ１４の動力が磁気歯車変速機構４０で大きく減少することなく減速されて出力軸４４から出力される。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、サン磁気歯車４１の界磁巻線と誘導機１０のロータ巻線を共有巻線７２によって共有化することで、磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量をロータ１４に発生するトルクに比例して制御することができ、ロータ１４の動力を磁気歯車変速機構４０で効率よく減速して出力軸４４から出力することができる。さらに、誘導機１０と磁気歯車変速機構４０の一体化が容易となり、製造コストを下げることができる。その際に、サン磁気歯車４１の極数がロータ１４の極数と等しい場合は、同じ断面形状の鉄心を用いてサン磁気歯車４１とロータ１４を構成可能であるため、製造コストをさらに下げることができる。また、磁気歯車変速機構４０側からトルクが加わった場合でも共有巻線７２に界磁電流（誘導電流）が流れるため、誘導機１０を発電機として機能させることもでき、誘導機１０の回生動作が可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。
【００３０】
図５に示す構成例では、誘導機１０のロータ巻線３２がロータティース３３間のスロットを通ってロータティース３３に巻装されることで、ロータ１４に磁極が構成され、磁気歯車変速機構４０の界磁巻線５２がティース５３間のスロットを通ってティース５３に巻装されることで、サン磁気歯車４１に磁極が構成される。そして、ロータ１４に配設されたロータ巻線３２とサン磁気歯車４１に配設された界磁巻線５２が、入力軸２０に取り付けられた接続端子７４を介して電気的に接続されている。図５に示す構成例によれば、サン磁気歯車４１の極数をロータ１４の極数と異ならせる（サン磁気歯車４１のティース５３の総数をロータティース３３の総数と異ならせる）ことで、ロータ１４のトルクに対する磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量の関係を調整することができ、磁気歯車変速機構４０の設計の自由度が増す。
【００３１】
また、例えば図６に示すように、磁気歯車変速機構４０の軸方向長さを誘導機１０の軸方向長さと異ならせる、より具体的には、サン磁気歯車４１とピニオン磁気歯車４３の磁気的な結合部分４８の軸方向長さ、及びリング磁気歯車４２とピニオン磁気歯車４３の磁気的な結合部分４７の軸方向長さを、ステータ１２とロータ１４の対向部分の軸方向長さと異ならせることもできる。図６に示す例では、サン磁気歯車４１とピニオン磁気歯車４３の磁気的な結合部分４８の軸方向長さ、及びリング磁気歯車４２とピニオン磁気歯車４３の磁気的な結合部分４７の軸方向長さが、ステータ１２とロータ１４の対向部分の軸方向長さよりも長い。図６に示す構成例によれば、ロータ１４のトルクに対して磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量を増加させることができ、磁気歯車変速機構４０の設計の自由度が増す。
【００３２】
また、例えば図７に示すように、磁気歯車変速機構４０のサン磁気歯車４１の外径を誘導機１０のロータ１４の外径と異ならせることもできる。図７は、サン磁気歯車４１の外径がロータ１４の外径よりも小さい例を示しているが、サン磁気歯車４１の外径をロータ１４の外径よりも大きくすることも可能である。図７に示す構成例でも、ロータ１４のトルクに対する磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量の関係を調整することができ、磁気歯車変速機構４０の設計の自由度が増す。
【００３３】
また、図８，９に示す構成例では、ロータ１４に配設されたロータ巻線３２とサン磁気歯車４１に配設された界磁巻線５２が、入力軸２０に取り付けられた整流回路７６を介して電気的に接続されている。ここでの整流回路７６は、ロータ巻線３２の交流電流を直流に整流して界磁巻線５２に流す。より具体的には、整流回路７６は、ダイオードブリッジにより構成され、ロータ巻線３２の各相３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ毎にそれぞれ対応して設けられ、互いに並列接続された複数（図９では３本）の整流アーム８３，８４，８５を備える。整流アーム８３においては、直列接続された１対のダイオード（整流素子）Ｄ１１，Ｄ１２間の中点８６とロータ巻線３２Ｕの一端が電気的に接続されている。同様に、整流アーム８４においては、直列接続された１対のダイオードＤ１３，Ｄ１４間の中点８７とロータ巻線３２Ｖの一端が電気的に接続され、整流アーム８５においては、直列接続された１対のダイオードＤ１５，Ｄ１６間の中点８８とロータ巻線３２Ｗの一端が電気的に接続されている。そして、ロータ巻線３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの他端同士が互いに電気的に接続されている。界磁巻線５２Ｎの一端は整流アーム８３，８４，８５（ダイオードＤ１１，Ｄ１３，Ｄ１５）のカソード端と電気的に接続され、界磁巻線５２Ｓの一端は整流アーム８３，８４，８５（ダイオードＤ１２，Ｄ１４，Ｄ１６）のアノード端と電気的に接続されている。そして、界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓの他端同士が互いに電気的に接続されている。整流回路７６は、ロータ巻線３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの３相交流電流をダイオード（整流素子）Ｄ１１〜Ｄ１６により直流に整流して界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓに流すことが可能である。
【００３４】
界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓは、サン磁気歯車４１の周方向において界磁巻線５２Ｎと界磁巻線５２Ｓが交互に並ぶように、ティース５３に巻装されている。さらに、界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓに直流電流が流れる場合に、界磁巻線５２Ｎが巻装されたティース５３と、界磁巻線５２Ｓが巻装されたティース５３とで、磁化方向が互いに逆方向となって異なる磁極の磁石が形成されるように、界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓのティース５３への巻回方向がそれぞれ設定されている。これによって、界磁巻線５２Ｎ，５２Ｓに直流電流が流れる場合に、サン磁気歯車４１の周方向においてＮ極とＳ極が交互に並ぶように、各ティース５３に磁極の固定された磁石が形成される。図８に示す例では、サン磁気歯車４１における１つのティース５３が１つの磁極分に相当する。
【００３５】
図８，９に示す構成例において、誘導機１０のロータ巻線３２に誘導電流が流れてロータ１４にトルクが発生すると、サン磁気歯車４１の界磁巻線５２に整流回路７６で整流された直流電流が流れることで、サン磁気歯車４１の各ティース５３に磁極の固定された磁石が形成される。そして、各ピニオン磁気歯車４３の永久磁石６４の磁界とサン磁気歯車４１のティース５３に形成された磁石の磁界との吸引及び反発作用により、各ピニオン磁気歯車４３とサン磁気歯車４１との磁気的な結合部分４８にトルクが作用する。これによって、サン磁気歯車４１の回転と連動して、各ピニオン磁気歯車４３がその中心軸まわりに回転（自転）する。さらに、前述のように、各ピニオン磁気歯車４３と回転が固定されたリング磁気歯車４２との磁気的な結合部分４７にトルクが作用して、各ピニオン磁気歯車４３がサン磁気歯車４１の中心軸まわりに周回（公転）することで、ロータ１４に発生した動力が減速されて出力軸４４から出力される。
【００３６】
図８，９に示す構成例においても、ロータ１４に発生するトルクとサン磁気歯車４１の界磁磁束量が比例関係となり、制御回路３０によりステータ巻線２２に流す交流電流の振幅や位相角を制御することで、ロータ１４に発生するトルクと磁気歯車変速機構４０の伝達トルク容量の両方が比例関係を保ちながら制御される。さらに、図８，９に示す構成例によれば、サン磁気歯車４１と各ピニオン磁気歯車４３とで磁界が同期して回転するため、トルク伝達効率をさらに向上させることができる。また、サン磁気歯車４１のティース５３に界磁巻線５２を直接施すことで、集中巻きが可能であり、サン磁気歯車４１の製造が容易となる。また、磁気歯車変速機構４０側（サン磁気歯車４１側）で誘導電流を発生させるわけではないので、サン磁気歯車４１の形状の自由度が高まる。例えばサン磁気歯車４１をクローポール型で構成することも可能となる。
【００３７】
以上の説明では、磁気歯車変速機構４０が遊星磁気歯車機構であり、リング磁気歯車４２の回転が固定されている例について説明した。ただし、本実施形態では、リング磁気歯車４２の回転を固定せずに、各ピニオン磁気歯車４３を回転支持するキャリアの回転を固定することも可能である。その場合は、リング磁気歯車４２が出力側磁気歯車要素として機能し、リング磁気歯車４２の極数がサン磁気歯車４１の極数と異なる（リング磁気歯車４２の極数がサン磁気歯車４１の極数より大きい）ことで、ロータ１４に発生した動力が減速されてリング磁気歯車４２から出力される。また、本実施形態では、磁気歯車変速機構４０を遊星磁気歯車機構以外の磁気歯車機構により構成することも可能である。例えば磁気歯車変速機構４０を、ロータ１４に機械的に連結された入力側磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素と磁気的に結合する出力側磁気歯車要素とを含んで構成することも可能である。その場合は、入力側磁気歯車要素はサン磁気歯車４１と同様の構造で構成可能であり、出力側磁気歯車要素はピニオン磁気歯車４３と同様の構造で構成可能であり、出力側磁気歯車要素の極数及び直径を入力側磁気歯車要素の極数及び直径と異ならせる（例えば出力側磁気歯車要素の極数及び直径を入力側磁気歯車要素の極数及び直径より大きくする）ことで、ロータ１４に発生した動力が変速（減速）されて出力側磁気歯車要素から出力される。また、本実施形態では、磁気歯車変速機構４０は、減速機構以外に、ロータ１４に発生した動力を増速して出力する増速機構であってもよい。
【００３８】
また、本実施形態では、例えば特許文献１や非特許文献１等に開示されている磁気波動歯車機構を磁気歯車変速機構４０に適用することも可能である。その場合の磁気波動歯車機構は、ロータ１４に機械的に連結された入力側磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素と磁気的に結合し、回転が固定された固定磁気歯車要素と、固定磁気歯車要素と磁気的に結合する出力側磁気歯車要素とを含んで構成可能である。入力側磁気歯車要素には、永久磁石の代わりに、誘導機１０のロータ巻線と共有化または接続された界磁巻線を配設し、界磁巻線に電流を流すことで、ロータ１４に発生するトルクと比例する界磁磁束を発生させる。固定磁気歯車要素には、入力側磁気歯車要素で発生した界磁磁束が通る複数の磁気歯が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、出力側磁気歯車要素には、固定磁気歯車要素の磁気歯を通過した界磁磁束が作用する複数の磁極または磁気歯が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。出力側磁気歯車要素の極数（磁極または磁気歯の数）を入力側磁気歯車要素の極数及び固定磁気歯車要素の磁気歯の歯数と異ならせることで、ロータ１４に発生した動力が変速（減速）されて出力側磁気歯車要素から出力される。
【００３９】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４０】
１０ 誘導機、１１ ケーシング、１２ ステータ、１４ ロータ、２０ 入力軸、２１ ステータコア、２２ ステータ巻線、２３ ステータティース、３０ 制御回路、３１ ロータコア、３２ ロータ巻線、３３ ロータティース、４０ 磁気歯車変速機構、４１ サン磁気歯車、４２ リング磁気歯車、４３ ピニオン磁気歯車、４４ 出力軸、５１，６１，６３ コア部材、５２ 界磁巻線、５３ ティース、６２，６４ 永久磁石、７２ 共有巻線、７４ 接続端子、７６ 整流回路、８３，８４，８５ 整流アーム、Ｄ１１〜Ｄ１６ ダイオード。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線が設けられた固定子と、回転子巻線が設けられた回転子とを含む誘導機と、
回転子に連結された入力側磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素と連動して回転する出力側磁気歯車要素とを含み、回転子の動力を変速して出力する磁気歯車変速機構と、
を備え、
磁気歯車変速機構においては、入力側磁気歯車要素の回転に連動して出力側磁気歯車要素がその中心軸まわりに回転するとともに入力側磁気歯車要素の中心軸まわりに周回する条件と、入力側磁気歯車要素の極数が出力側磁気歯車要素の極数と異なる条件とのいずれか１つ以上が成立し、
入力側磁気歯車要素に界磁巻線が設けられ、界磁巻線に電流が流れることで入力側磁気歯車要素に磁極が形成され、
界磁巻線と回転子巻線が共有化または接続されている、変速機構付き回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の変速機構付き回転電機であって、
界磁巻線と回転子巻線が整流回路を介して接続されており、
整流回路は、回転子巻線の交流電流を直流に整流して界磁巻線に流す、変速機構付き回転電機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の変速機構付き回転電機であって、
磁気歯車変速機構は、
回転が固定されたリング磁気歯車要素と、
入力側磁気歯車要素として、リング磁気歯車要素の内側に配置されたサン磁気歯車要素と、
出力側磁気歯車要素として、出力軸に回転自在に支持され、リング磁気歯車要素及びサン磁気歯車要素と磁気的に結合する遊星磁気歯車要素と、
を含む、変速機構付き回転電機。
【請求項１】
固定子巻線が設けられた固定子と、回転子巻線が設けられた回転子とを含む誘導機と、
回転子に連結された入力側磁気歯車要素と、入力側磁気歯車要素と連動して回転する出力側磁気歯車要素とを含み、回転子の動力を変速して出力する磁気歯車変速機構と、
を備え、
磁気歯車変速機構においては、入力側磁気歯車要素の回転に連動して出力側磁気歯車要素がその中心軸まわりに回転するとともに入力側磁気歯車要素の中心軸まわりに周回する条件と、入力側磁気歯車要素の極数が出力側磁気歯車要素の極数と異なる条件とのいずれか１つ以上が成立し、
入力側磁気歯車要素に界磁巻線が設けられ、界磁巻線に電流が流れることで入力側磁気歯車要素に磁極が形成され、
界磁巻線と回転子巻線が共有化または接続されている、変速機構付き回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の変速機構付き回転電機であって、
界磁巻線と回転子巻線が整流回路を介して接続されており、
整流回路は、回転子巻線の交流電流を直流に整流して界磁巻線に流す、変速機構付き回転電機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の変速機構付き回転電機であって、
磁気歯車変速機構は、
回転が固定されたリング磁気歯車要素と、
入力側磁気歯車要素として、リング磁気歯車要素の内側に配置されたサン磁気歯車要素と、
出力側磁気歯車要素として、出力軸に回転自在に支持され、リング磁気歯車要素及びサン磁気歯車要素と磁気的に結合する遊星磁気歯車要素と、
を含む、変速機構付き回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２１８７２（Ｐ２０１３−２１８７２Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４９００（Ｐ２０１１−１５４９００）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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